混凝土面板堆石坝面板开裂过程研究综述

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混凝土面板堆石坝面板开裂过程研究综述

山东茂隆新材料科技有限公司 2021-04-06 1154


摘要:混凝土面板是以堆石体为支撑结构,它承担着向下游堆石体传递水压力及大坝防渗的重任,对大坝的安全与工程的运行起着决定性的作用。本文总结近年学者对混凝土面板堆石坝面板开裂过程研究现状,试图寻找此类研究的方向和问题。关键词:混凝土面板堆石坝 开裂过程 研究综述  1 研究意义  现代混凝土堆石坝的发展趋势是坝越建越高、工程规模越来越大。众所周知,混凝土面板是面板堆石坝的防渗主体,面板的开裂与否直接关系到工程的安全。  尽管混凝土面板堆石坝的安全性较高,但仍有许多工程出现了事故,如我国西北口面板堆石坝的面板出现了大量的结构性裂缝;哥伦比亚的格里拉斯面板堆石坝的周边缝止水结构发生严重破坏;我国沟后砂砾石面板堆石坝发生了溃决等等。这些事故发生的主要原因是面板在支撑体(堆石体)的变形及混凝土的温度应力双重作用下发生了开裂,以面板为主体的防渗系统的失效导致坝体在渗流场与应力场的共同作用下产生了破坏。因此,充分了解施工期与运行期面板的应力变形状态,研究混凝土面板堆石坝面板开裂机理及破坏过程,具有重要的实际应用价值。  2 国内外研究进展  2.1 面板开裂影响因素研究现状 混凝土面板是以堆石体为支撑结构,它承担着向下游堆石体传递水压力及大坝防渗的重任,对大坝的安全与工程的运行起着决定性的作用。从空间结构看,面板的长度较长,宽度较小,而厚度相对来说很小,是一块长条形的薄板,因此,受环境温度的影响较大,尤其是高坝及处于高寒地区的混凝土面板堆石坝,在气温骤变条件下,面板内将产生拉应变,再加上坝体的沉降及其它不确定性因素,面板很容易出现裂缝。从国内外修建的面板堆石坝看,面板开裂的情况比较普遍,个别的坝还相当严重,因此,面板的抗裂问题是面板堆石坝的重要课题。国内外研究表明:混凝面板的温度应力、外界荷载(主要为水荷载)以及堆石体变形是面板开裂的主导因素。  ①混凝土力学特性及荷载对面板开裂的影响。混凝土面板开裂问题,实质上是面板中的破坏力与抵抗力之间的较量。破坏力主要指的是由外因及内因引起的面板应力,抵抗力则指的是面板混凝土的强度。面板应力主要受混凝土的力学性能、面板的自重、外部荷载以及坝高、河谷形状等因素的影响。②堆石体变形对面板开裂的影响。混凝土面板以堆石体为支撑结构,因此,面板的应力变形除了受混凝土力学特性及荷载对面板开裂的影响外,还受堆石体变形的影响。尤其是运行期,在水压力的作用下,面板开裂与否主要由堆石体变形决定,因此,堆石体变形的影响因素亦是混凝土面板变形特性的影响因素。大量监测数据及数值计算结果表明,在堆石体的流变、湿化变形以及库水位升降的影响下,堆石体的变形呈现出随时间而变化的趋势,则混凝土面板的应力变形也随之变化。混凝土面板堆石坝的坝体是分层碾压填筑的,在自重及碾压力的作用下,堆石体会产生竖直和水平位移,浇筑在垫层上的面板变形如果不能适应坝体的变形,就会出现垫层料脱空,此时,面板失去了坝体的支撑作用,在水压力的作用下,其应力变形特性会发生变化,主要表现为:脱空部位的面板被压向垫层料,在水压力及垫层反力的作用下,内部产生较大的应力,当应力超过混凝土的强度则会产生裂缝,发生开裂破坏。  2.2 混凝土面板堆石坝面板开裂过程研究现状 ①混凝土的断裂过程。混凝土材料的拉伸、压缩和弯曲等力学性能是混凝土结构设计的重要依据,而试验则是揭示混凝土力学性能的主要方法。从国内外的试验资料可知:混凝土是典型的非均匀材料,其中含有夹碴、气泡、孔穴等,其变形、强度以及破坏过程均与裂纹的扩展有关。混凝土的裂纹可以分为两大类:一类是随机分布的微裂纹,微裂纹的存在决定了混凝土的抗压与抗拉强度;另一类是宏观裂纹,它使得混凝土的力学性质呈现各向异性。混凝土的破坏是由混凝土的微裂纹与宏观裂纹共同作用,一方面微裂纹的存在影响宏观裂纹的萌生,另一方面微裂纹对主裂纹产生屏蔽和劣化的双重作用。混凝土的破坏过程实质上是其中微裂纹萌生、扩展、贯通,直至微裂纹变成宏观裂纹,进而导致混凝土失稳破裂的过程。②混凝土断裂力学的研究现状。1920年,Griffith在研究玻璃的强度时首次提出了断裂力学理论,此后,经过Irin和Owen的补充和完善,在20世纪50年代适用于高强度钢材的线弹性断裂力学体系基本形成。1961年,Kaplan首先将断裂力学的概念引用到混凝土中,用断裂力学的理论研究混凝土的破坏机理,并进行了混凝土的断裂韧度实验。此后,国内外诸多学者专家在混凝土断裂试验方面做了许多研究,积累了大量的实测资料,并提出了一系列应力强度因子的计算方法和经验断裂判据。③混凝土面板断裂损伤研究现状。目前,关于混凝土结构的断裂损伤研究主要集中在大体积混凝土结构、碾压混凝土拱坝、混凝土重力坝方面,而对于面板堆石坝混凝土面板断裂方面的研究甚少。混凝土面板对环境温度的变化较敏感,再加上坝体的沉降,面板很容易出现裂缝。因此,基于断裂力学研究混凝土面板微裂纹萌生、扩展、贯通,直到产生宏观裂纹的破坏机理,对于面板的抗裂,大坝的安全运行具有重要意义。  2

HDPE土工膜是以(中)高密度聚乙烯树脂为原料生产的一种防水阻隔型材料。(密度为0.94g/cm3或以上的土工膜)。HDPE土工膜全称“高密度聚乙烯膜”,具有优良的耐环境应力开裂性能,抗低温、抗老化、耐腐蚀性能,以及较大的使用温度范围(-60--+60)和较长的使用寿命 (50年)。HDPE土工膜全称“高密度聚乙烯土工膜”,具有优良的耐环境应力开裂性能,抗低温、抗老化、耐腐蚀性能,以及较大的使用温度范围(-60--+60)和较长的使用寿命50年,广泛使用在生活垃圾填埋场防渗,固废填埋防渗,污水处理厂防渗,人工湖防渗,尾矿处理等防渗工程。

.3 混凝土面板堆石坝渗流特性研究现状 混凝土面板堆石坝以堆石体作为支撑结构,安全性较高,许多学者认为混凝土面板堆石坝不会发生渗透破坏,因此,对面板坝的渗流分析研究不够重视,甚至在设计时不作为计算的主要内容。混凝土面板是大坝防渗的主要结构,一旦发生开裂破坏,将直接危及到工程的安全与经济效益,应当引起足够的重视。混凝土面板堆石坝的渗流分析对于工程的设计、运行及管理具有重要的意义。  关于混凝土面板堆石坝的渗流计算模型或计算方法,国内外研究甚少,澳大利亚的伦吉·卡希纳得通过工程实例渗漏观测数据的分析,利用面板的结构尺寸、面板的坡率及水深与面板裂缝渗漏量的关系,获得了半经验性的化引表面渗透系数,即表面渗透性法,该方法将面板作为各向同性的均质体,且面板裂缝中的渗流符合达西定律。表面渗透性法忽略了垫层、过渡层等面板基础的渗流,只能估算面板裂缝及接缝的渗漏量,不能确定渗透坡降、渗流速度等其他要素,更不能用于整个大坝的渗流仿真计算。张嘎,张建民等通过对混凝土面板堆石坝渗流形态的分析,假定裂缝渗流为层流、面板缝隙为等宽缝隙,基于达西渗流定律进行了面板出现裂缝工况下堆石坝的渗流有限元计算,该方法没有考虑面板裂缝宽度沿厚度方向变化的特性及裂缝面的粗糙度,因此计算结果也不尽如人意。  3 总结  综上所述,混凝土面板发生裂缝的原因主要是堆石体变形和面板的温度应力两个方面。由温度变化引起的混凝土收缩,加之基础约束将导致面板出现大量密集的有规律的水平裂缝。由坝体的不均匀变形引起的拉应力,将导致面板出现较大的裂缝,甚至出现断裂;现有的混凝土面板堆石坝渗流分析的计算模型都不成熟,仍需要进行更深入的研究,尤其是面板开裂情况下堆石坝的渗流机理研究。  参考文献:  [1]彭正光.西北口面板堆石坝蓄水7年变形分析[J].水利水电技术,1999,30(9):24-27.  [2]李善平,唐孟军,胡海浪,等.混凝土面板堆石坝面板变形机理研究[A].第一届堆石坝国际研讨会论文集[C].北京:中国水利水电出版社,2009:176-178.  [3]罗先启,刘德富,黄峄.西北口面板堆石坝面板裂缝成因分析[J].人民长江,1996,27(9):32-34.  [4]麦家煊,孙立勋.西北口堆石坝面板裂缝成因的研究[J].水利水电技术,1999,30(5):32-34.

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