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1、水电站设计DHPS第19卷第4期2003年12月沙牌碾压混凝土拱坝仿真结构模型试验研究张仲卿(广西大学土木建筑工程学院,广西南宁530004)摘要:结合沙牌碾压混凝土拱坝仿真结构模型试验,介绍了这种试验方法的优越性,以及层面结构模拟方法、大坝应力分布、径向位移分布、超载能力和破坏机理,为工程设计提供了科学依据,对同类工程具有重要参考价值。关键词:碾压砼拱坝;仿真试验;结构模型试验;应力分布;位移分布;超载能力;破坏机理;沙牌水电站中图法分类号:TV321文献标识码:A文章编号:1003-9805(2003)04-0036-051仿真结构模型试验的优越性常态混凝土拱坝结构
2、模型试验研究,一般用石膏模型进行模拟。石膏为脆性材料,视为匀质体,坝体则为混凝土匀质体,石膏与混凝土均属匀质的脆性材料。仿真结构模型是用原型材料即混凝土制作模型,模拟原型结构。这种试验方法称为仿真结构模型试验。由笔者承担的“八五”国家重点科技攻关项目子题“龙滩碾压混凝土重力坝承载能力研究”,把碾压混凝土视作均质体。对于施工缝及冷缝,由于间隔时间超过了终凝时间,或者超过了加垫层拌合物铺筑允许的时间,虽然表面进行了刷毛、冲毛,并清洗干净后,铺水泥粉煤灰砂浆等措施,但骨料没有相互嵌入,显然形成了一个薄弱环节。至于初凝后,在加垫层铺筑允许时间之前时的缝面情况,则介于二者之间,一
3、般采用铺筑水泥粉煤灰浆即可连续浇筑,并达到和满足对层间结合的要求,但相对说来,缝的不均匀程度和产生薄弱面的可能性要比“热缝”大一些。原电力工业部在鉴定时指出“:仿真模型做到了筑坝对于“热缝”和在加垫层铺筑允许时间之内形成材料仿真和基本能反映碾压混凝土分层施工、形成呈层结构特征,直接采用混凝土为试验材料,可以避免研究复杂的碾压混凝土的本构关系,和传统的石膏模型试验比较,更能客观地反映实际情况”;国家电力公司在验收“九五”国家重点科技攻关项目子题“沙牌碾压混凝土拱坝承载能力研究”时,同样肯定了仿真结构模型的优越性。笔者结合沙牌拱坝仿真结构模型试验,研究了沙牌碾压混凝土拱坝
4、的应力分布、温度应力、超载能力、破坏特征等。此后用非线性有限元计算进行验证,两者成果较为接近。2层面薄弱环节模拟碾压混凝土拱坝分层碾压施工一般每层约30cm,根据不同的施工情况,对层间缝的处理方式及层间缝的结合质量有所不同。“热缝”间隔时间短,一般在初凝之前即直接覆盖混凝土,此时骨料在碾压层面呈嵌入状态,通过钻孔取芯样看出,可近似的缝,大量的层面易产生隐状的层状结构,影响层面的黏结强度,其原因有以下几个:拌和后的混凝土在运输平仓过程中,产生骨料分离,骨料颗粒铺在层面上,黏结较差;碾压混凝土在碾压过程中形成孔隙和多余的水分排出困难,使层面形成薄弱环节;下层混凝土表面的干湿
5、状态不符合施工要求,碾压混凝土的稠度Vc值过大或小;卸料集中,铺料厚度过大,振动压实能量不足,密实度小于要求值。这些因素都将会产生层面薄弱环节。当Vc值适中,层面在初凝前便覆盖,碾压使上层骨料嵌入到下层混凝土中,形成咬合,从芯样上看不出层面。沙牌碾压混凝土拱坝仿真结构模型试验研究,共制作了两个1∶80比尺的模型和32块试件(150mm×150mm×150mm),试件分两组进行劈裂抗拉试验。第一组顺试块1/2水平面劈拉,第二组垂直水平面劈拉,第一组抗拉强度比第二组低10%-12%,但也有少数试件仅低5%-6%。第二组则代表了碾压混凝土本体性能,使碾压混凝土产生了收稿日期:2
6、003-11-07基金项目“:九五”国家重点科技攻关项目(96-220-02-01)作者简介:张仲卿(1940-),男,四川省内江人,教授,博士生导师,研究方向为碾压混凝土筑坝技术、大型水电站引水压力管道。各向异性状态。层面可分为三种状态:第一种层面骨料相互嵌入,黏结很好,基本上看不出层面薄弱环节;第二种层面粗糙,有很少量嵌入,肉眼可看出层面;第三种层面比较光滑,层面明显,但数量很少。总之,仿真模型能比较真实地模拟碾压层面的施工工艺以及碾压混凝土拱坝结构的本构关系,这是石膏模型所无法比拟的。3设计水压力作用下的应力和位移3.1第一模型设计水压力作用下的应力、位移分布拱向应
7、力σx:上游拱向应力分布(见图1a)是在183010m高程压应力为最大,σx=-4168MPa,向上逐渐减小,由中部偏右向两岸逐渐减小,全为压应力。下游拱向应力(图1b)以拱端受压最大,向拱冠减小,最大压应力σx=-5179MPa,拱冠下部受拉,最大拉应力σx=0144MPa。在两条横缝附近受缝影响,拱向应力略有减小。梁向应力σy:上游(图1c)梁底主要受拉,也有个别点受压,最大竖向拉应力σy=2132MPa,拱冠中部受压,最大压应力σy=-2112MPa。下游(图1d)梁底受压,最大压应力σy=-3105MPa。岸坡上的边
