高碾压混凝土拱坝分缝形式及破坏机理研究

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1、水利学报2005年5月SHUILIXUEBAO第36卷第5期文章编号:0559-9350(2005)05-0519-06高碾压混凝土拱坝分缝形式及破坏机理研究陈媛，张林，周坤，胡成秋(四川大学水利水电工程学院，四川成都610065)摘要：本文结合四川沙牌碾压混凝土(RCC)拱坝，通过结构模型破坏试验，对RCC拱坝的分缝形式、坝体开裂与破坏机理进行研究，分析了诱导缝、横缝、周边缝等分缝形式对坝体的影响，确定了两条诱导缝加两条横缝的方案为选定方案。根据选定的分缝方案，探讨含诱导缝坝体的开裂破坏机理。研究中采用断裂力学理论，求得考虑尺寸效应的材料断裂韧度值和建

2、立诱导缝的应力强度因子计算式，并通过分析断裂韧度与应力强度因子之间的关系，从理论上推导出诱导缝的开裂相似条件。据此提出在结构模型中模拟诱导缝的方法，在结构模型试验中实现对诱导缝的相似模拟，观察到坝体的开裂过程、破坏形态和破坏机理。试验结果已应用于沙牌拱坝工程的设计和施工中。关键词：碾压混凝土拱坝；分缝形式；结构模型试验；诱导缝；破坏机理中图分类号：TV642.2文献标识码：A碾压混凝土拱坝具有工程进度快、施工方法简单、超载能力强、安全度高、运行性能良好、筑坝材料省等优点，是实现快速建坝的新途径，因此，碾压混凝土拱坝成为当今世界高坝建设的一个重要发展方向，

3、[1]并在国内外得到广泛运用。由于碾压混凝土拱坝采用通仓碾压和全断面连续上升的施工工艺，施工时已封拱，混凝土产生的水化热积蓄在坝体内，无法在短期内散发掉，在周边基础的约束作用下，使得拱坝内产生较大的温度应力，可能导致坝体产生温度裂缝。温度控制问题是碾压混凝土拱坝的关键技术问题之一，[2]预防和控制裂缝是一项非常重要的课题。为了降低温度作用对坝体的不利影响，防止温度裂缝的无序产[3]生，国内外普遍采用在坝体内设置诱导缝的方法来释放拉应力，使裂缝在预想部位发生开裂，随后灌浆[4]形成完整的坝体。如Knellpoort坝和Wolwedans坝沿坝轴线每隔10m

4、左右设置一道诱导缝；普定坝在右坝[5]肩设置一道横缝，在坝体中部设置两条诱导缝。虽然诱导缝在碾压混凝土拱坝中得到广泛使用，但对诱导缝的设置方式、布置位置、工作效果等还没有形成统一认识。因此，合理选择分缝形式和设置分缝位置，有效控制坝体开裂范围，以及获得含诱导缝拱坝的开裂过程、破坏形态和破坏机理，是高碾压混凝土拱坝研究的重要技术问题。本文通过结构模型试验来研究高碾压混凝土拱坝的分缝形式和破坏机理，采用断裂力学理论推导诱导缝在结构模型试验中的相似条件，提出诱导缝的试验模拟方法，在结构模型中实现诱导缝的相似模拟，并进行含诱导缝拱坝的开裂过程、破坏形态和破坏机理

5、的研究。1工程概况沙牌拱坝位于四川省阿坝州藏族羌族自治州草坡河上，是目前已建成的世界最高碾压混凝土拱坝。拱收稿日期：2004-05-10基金项目：“九五”国家科技攻关项目(96-220-02-01-03)作者简介：陈媛(1973-)，女，重庆涪陵人，博士生，主要从事水工结构模型试验与数值分析研究。E-mail：chenyuan8899@163.com1水利学报2005年5月SHUILIXUEBAO第36卷第5期坝体形为三心圆单曲拱坝，最大坝高132m。坝址区河谷地形在平面上呈葫芦形，在立面上呈“V”字形，河谷两岸陡峻，两岸大致对称，左岸稍陡于右岸。坝区地

6、质条件较好，主要为花岗岩闪长岩、夹绿帘石、黑云母及石英角岩，在两岸坝肩上部分布有承受变形能力较差、遇水软化的Sc片岩带。2坝体分缝形式研究坝体分缝形式采用整体结构模型破坏试验方法进行研究。在沙牌拱坝初步设计中拟订了两种类型的缝：诱导缝和周边缝。诱导缝为不完全切断坝体的双向间断缝，在坝体中形成软弱结构面以诱导温度缝在预计部位产生。周边缝设置在拉应力集中的坝基周边部位，切断坝体有限深度，形成人工预留缝，可以释放拉应力，阻止温度缝的进一步扩展，从而减小拉应力集中程度和均匀应力分布。这两种缝都是在一定部位用人工缝代替随机裂缝，起到改善坝体应力分布、降低温度变化不

7、利影响的作用。根据应力分析得到坝体应力分布特征，在坝体拉应力较大区域布置裂缝，拟订了不设缝、两条诱导缝加周边缝、三条诱导缝等方案进行模型试验研究，分缝方案见图1(a、b)。图1坝体分缝方案(单位：m)2.1模型相似关系坝体的应力及变形特性属于线弹性问题，根据线性应力模型试验的相似原理，原型[6]及模型之间应满足几何相似、荷载强度相似、弹性模量相似、泊松比相似、边界条件相似等关系3Cσ/CXCL=1；Cσ/CE=1；Cδ/CL=1；Cε=1；Cμ=1；CP=CρCL(1)式中：CX、CL、CE、CP、Cσ、Cε、Cμ、Cδ、Cρ分别为体积力比、几何比、弹模

8、比、水压力合力比、应力比、应变比、泊松比、位移比、水压力密度比。2.2模型情况模