碾压混凝土重力坝深层抗滑稳定研究

碾压混凝土重力坝深层抗滑稳定研究（共7篇）

篇1：碾压混凝土重力坝深层抗滑稳定研究

碾压砼重力坝坝基深层抗滑稳定分析

新疆某水利枢纽工程,工程规模属大(2)型二等工程,碾压砼重力坝与粘土心墙坝的混合坝型,最大坝高50.0m,由层状及互层状的.软～中硬岩结构组成库坝区基底岩体,通过岩体原位实验和对破碎带、软弱结构面以及缓倾角结构面等不利结构面组合的综合分析,确定深层抗滑稳定安全计算中的各个参数,其计算结果是比较科学合理的,与实际情况也是相符合的.

作 者：作者单位：刊 名：中国水运(下半月)英文刊名：CHINA WATER TRANSPORT年，卷(期)：9(10)分类号：P642.22关键词：碾压砼重力坝 软～中硬岩 缓倾角结构面 抗滑稳定安全系数

篇2：碾压混凝土重力坝深层抗滑稳定研究

关键词：碾压混凝土重力坝,岩基,深层抗滑稳定,施工措施

就我国现阶段的水利工程建设而言, 大坝结构失稳现象屡有发生, 究其原因, 主要是由于大坝坝基的深层抗滑稳定性不强, 从而导致大坝主体结构失稳, 引发安全事故。为了解决大坝坝基的失稳问题, 提高坝基的抗滑防滑能力, 需要在坝基的施工过程中严格控制其施工质量。而对于施工完成之后的坝基稳定性的检查和鉴定, 则需要通过有限元计算方法来实现, 碾压混凝土重力坝施工中, 其深层抗滑稳定性的检查也是如此。

1 什么是碾压混凝土重力坝

在讨论碾压混凝土重力坝之前, 我们需要对重力坝有一个大概的认识。所谓重力坝, 它是指使用砼或砂浆砌筑而成的一种大体积、大容量的挡水建筑物, 这一建筑物的整体由若干个坝段组成, 且建筑物的基本剖面呈直角三角形。简单来说, 重力坝其实就是用来抵抗水体侧压力、风力、浮力等诸多合力, 并能够进行挡水的一种大坝坝型。如果按照筑坝材料来进行分类, 那么重力坝可以分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝。

通常情况下, 我们将采用普通混凝土修筑建设而成的重力坝称为混凝土重力坝, 将采用碾压混凝土修筑成型的重力坝称为碾压混凝土重力坝。碾压混凝土是一种含有特殊材料的混凝土, 用它修筑而成的大坝比用普通混凝土材料建设修筑成的大坝的防渗性能更好。而碾压混凝土与普通混凝土的根本区别在于, 经水、砂浆等材料拌和出来的碾压混凝土不似普通混凝土那样稀稠, 甚至可以说是干燥, 且它在倒入工作面以后, 不能够采用振动器对其进行振捣, 只有经过碾压才能使混凝土密实并成型。

2 坝基抗滑抗震简述

近年来, 我国碾压混凝土重力坝工程得到了迅速的发展, 随着重力坝施工规模的不断扩大, 对碾压混凝土的需求量也越来越高。与常规的混凝土重力坝相比, 碾压混凝土重力坝的施工更加简单, 工程造价也更低, 然而这仅仅只是碾压混凝土重力坝的一面, 除此之外, 碾压混凝土重力坝仍然具有着与常规混凝土重力坝一样的缺点, 那就是大坝坝基深层所存在的软弱面容易引起大坝坝基失稳, 对大坝的整体质量产生影响。为了能够检查和检测到大坝施工过程中, 其坝基深层所存在的软弱面, 相关技术人员研究并探索出了多种检测方法, 比如刚体极限平衡法。刚体极限平衡法在应用的过程中不受施工场地和地域的限制, 因此其得到了广泛的采用, 同时其对于被动抗拉力和等安全系数的分析至关重要。

在施工中对于合理的层面处理和施工技术方法选择有着直接关系, 一般来说, 在工程施工中我们需要对于层面处理方法进行全面总结, 一个不合理的工程层面处理方法不但有着增加工程造价的缺陷, 还容易使得工程层面处理周期增长, 增加工程施工成本和影响工程质量。这种施工方法和施工标准在目前的社会发展中受到了相关人员高度重视, 也给工程施工技术和施工质量带来了有效的促进作用。

3 坝基岩体的复杂性分析

坝基岩体经受了多次构造运动发生了变形和破裂现象, 在岩体内部形成了各种地质界面方式。由于在施工中结构面所包围的盐块被称之为结构体或者块体, 这就造成在施工中岩体是通过结构面和结构体两种基本方法构成的, 因此, 岩体的工程地质特性在施工中主要取决于结构体的物理学性质和结构面数量、组合、形状和力学性质。在岩石力学性质分析中, 岩石主要有两种性质, 一种是岩块性质和岩体性质。

目前大多数试验技术只能够提供岩体或者形状比较稳定的结构面的强度和变形特性进行分析, 如果需要测定岩体的特性或者参数, 则是需要在工作中进行大量的设计与分析, 针对其中存在的各种问题进行试验。在这种施工措施中, 虽然可以采用某些个性化特点和方式进行分类比较, 但是其在工作控制中也存在着岩体变形方式, 因为岩体内部或多或少的存在着一定层次的结构面。只有岩体在施工和应用中不发育、不连续, 而且结构面内无软弱物质来填充或者其强度接近岩体的时候, 才能够通过工程地质类比, 将岩体的物理学参数进行适当的折减和调整。

4 工艺措施

各国现行规范规定, 在进行岩石上混疑土示力坝或支墩坝等水工建筑物的设计中, 必须审查大坝的应力和抗滑稳定。应力主要指的是抗拉、抗压问题。在市杏抗沿稳定方而, 一直存在着一个实质性问题, 即混凝土坝与犁:岩结合面究竟是“接触”还是“胶结”。从国内外的理论与实践都可以证明, 混凝土与从岩是能够胶结成整体的。且胶结而上的抗剪强度可以接近甚至达到混凝土的抗剪强度。既然坝休棍凝土与基宕能够胶结良好, 因此, 只要坝休与坝从各点的剪应力不超过该点村料的允许抗剪强度 (允许剪应力) 就应该认为大坝是处于安个状态, 不会产生滑动。

重力坝深层抗滑稳定分析一般采用抗剪断强度公式, 按双斜滑裂面刚体极限平衡等安全系数法进行计算, 因其中抗力角取值越大算出的安全系数也越大, 因此, 对抗力角较大取值的合理性必须加以论证, 论证的方法是数值分析法。BD面上主应力方向与水平面夹角的平均值是取值的上限。若=0时抗滑稳定安全系数满足规范要求, 说明抗滑稳定是偏于安全的;若不满足要求, 并不等于抗滑稳定不安全, 可取再算;如仍不满足要求, 则需要采用数值分析方法对大坝及其基础进行应力分析, 确定BD面上主应力方向与水平面的平均夹角, 以略小于此角度作为抗力角再进行抗滑稳定分析;若抗滑稳定安全系数仍不满足要求, 则必需采取抗滑工程措施, 提高重力坝的深层抗滑稳定性。

5 结论

本文利用弹塑性有限元作为计算工具, 对坝体层面进行不同比例降强度来模拟碾压混凝土重力坝的破坏过程, 进而对其稳定性进行分析。对碾压混凝土重力坝进行弹塑性分析时, 坝基视为各向同性弹塑性体, 由于施工的特点, 坝体具有明显的成层性, 故将坝体视为横观各项同类型工程的施工措施和工艺要求方式。

参考文献

篇3：碾压混凝土重力坝深层抗滑稳定研究

【关键词】坝基；混凝土；重力坝；抗滑稳定

随着社会的发展和科学技术的进步，建筑行业的发展可谓是日新月异，建筑施工技术也得到了显著的提升。目前，人们对建筑物要求日益严格的同时，传统的工程施工技术逐渐无法满足社会经济的发展要求，并且还容易产生质量和性能影响问题。水利工程作为建筑工程中最为特殊的存在，它在施工中亦是如此，一旦施工技术、施工方法不够合理，极容易引发结构失稳破坏，产生重大的安全隐患。碾压混凝土重力坝作为当今水利施工建设中最为常见的一种，它在提高水利工程效率和功能方面有着至关重要的意义。在这里我们就这些问题进行研究分析，提出有关的控制策略。

1.碾压混凝土重力坝

碾压混凝土重力坝是基于常态混凝土重力坝的基础上形成的一种新型的坝体结构。这种坝体结构在施工建设的过程中，是通过采用拌和预制、吊篮运输以及平仓振捣控制的方法来进行施工。在施工的时候如果坝体剖面较大的时候经常都是采用分块浇筑施工的方式来进行施工，以冷却接缝灌浆技术来管理，从而保证施工的正常进行。碾压混凝土重力坝在当今的工程施工中，随着科学技术的进步其施工方法也发生了一定的变动。同传统的施工方法相比较，它是采用无塌落的干硬性混凝土为主进行施工的，是采用土石坝机械运输方式来进行摊铺、碾压修筑形成的坝体结构，这类坝体结构在我国的水利工程项目中应用极为广泛，尤其是在近十年时间里，无论是施工技术、施工数量还是施工规模上，都发生了显著的变化，使得这一技术得到了明显的应用。与此同时，我们可以预计在未来的水利工程建设中，碾压混凝土重力坝必然会迎来更高层次的发展。

就过去多年的碾压混凝土重力坝的施工进行分析，在工程施工的过程中存在着以下显著的特点。首先在工程施工中，单位体积和胶凝材料的用量极少，通常都是常态混凝土重力坝结构的5%左右；其次单位体积混凝土用量少；再次坝体结构的抗冻、抗磨、抗渗能力强。

2.碾压混凝土重力坝抗滑稳定行研究

在当今水利工程施工建设中，因为坝基失稳而造成的坝体结构垮塌事故屡屡发生，给人们生活和生产造成了严重的影响，同时也给社会和国家发展造成了影响。这些问题的产生绝大多数都是因为重力坝深层抗滑稳定施工建设不够合理而引起的。为此在施工建设的过程中我们必须要进行深入研究和分析，尤其是在近年来，随着岩土力学研究工作的深入，水利工程坝基施工整体性控制越来越严格，有效控制了传统工程施工问题。在当今的碾压混凝土重力坝施工当中，主要的施工技术手段如下：

2.1坝基抗滑抗震简述

近年来的社会经济发展中，碾压混凝土在世界范围内得到了迅速的发展，当然我国也不例外，其施工数量和规模不断增加，甚至有关坝体结构高度高达两百米以上。由于碾压混凝土层面存在着抗剪能力低，使得高碾压混凝土坝结构在使用的过程中存在着容易出现问题的质量缺陷与隐患，因此在工作的过程中以什么方法来进行控制和完善已成为人们工作中普遍关注的话题，也是现代化水利工程施工建设的关键环节。在目前水工建筑结构中，由于坝基深层总是存在着软弱结构面，这也是大坝施工设计中面临的主要地质问题，一般来说，在施工的过程中对这一问题进行分析和处理已成为我们在工作中关注的重点，也是提高混凝土软弱结构面层抗滑稳定性的关键所在。在目前的水工建筑工程施工中，常见的抗滑稳定层结构施工和分析方法主要有刚体结构极限平衡法、有限元法和显式结构有限差分析法等等。其中刚性极限平衡法在目前的设计与施工中最为常见，也是工程项目中采用的关键技术手段和方法之一。

通常情况下，刚体极限平衡法在应用中是应用最为广泛的一种，它在应用的过程中不受施工场地和低于的限制而能够广泛采用，同时其对于被动抗拉力和等安全系数的分析至关重要。在施工中对于合理的层面处理和施工技术方法选择有着直接关系，一般来说，在工程施工中我们需要对于层面处理方法进行全面总结，一个不合理的工程层面处理方法不但有着增加工程造价的缺陷，还容易使得工程层面处理周期增长，增加工程施工成本和影响工程质量。这种施工方法和施工标准在目前的社会发展中受到了相关人员高度重视，也给工程施工技术和施工质量带来了有效的促进作用。

2.2坝基岩体的复杂性分析

坝基岩体经受了多次构造运动发生了变形和破裂现象，在岩体内部形成了各种地质界面方式，如层理、片理、节理、断层等，这些面统统被称之为结构面。由于在施工中结构面所包围的盐块被称之为结构体或者块体，这就造成在施工中岩体是通过结构面和结构体两种基本方法构成的，因此，岩体的工程地质特性在施工中主要取决于结构体的物理学性质和结构面数量、组合、形状和力学性质。在岩石力学性质分析中，岩石主要有两种性质，一种是岩块性质和岩体性质。岩块一般都是指从掩体中取出来的，尺寸不一和不大的岩石，它是通过一种或者多种矿物质组成，具有着相对均匀性。岩体性质包含了盐块性质和各种各样的结构面性质。目前大多数试验技术只能够提供岩体或者形状比较稳定的结构面的强度和变形特性进行分析，如果需要测定岩体的特性或者参数，则是需要在工作中进行大量的设计与分析，针对其中存在的各种问题进行试验。在这种施工措施中，虽然可以采用某些个性化特点和方式进行分类比较，但是其在工作控制中也存在着岩体变形方式，因为岩体内部或多或少的存在着一定层次的结构面。只有岩体在施工和应用中不发育、不连续，而且结构面内无软弱物质来填充或者其强度接近岩体的时候，才能够通过工程地质类比，将岩体的物理学参数进行适当的折减和调整。

2.3工艺措施

各国现行规范规定，在进行岩石上混疑土示力坝或支墩坝等水工建筑物的设计中，必须审查大坝的应力和抗滑稳定。应力主要指的是抗拉、抗压问题。在市杏抗沿稳定方而，一直存在着一个实质性问题，即混凝土坝与犁：岩结合面究竟是“接触”还是“胶结”。从国内外的理论与实践都可以证明，混凝土与从岩是能够胶结成整体的。且胶结而上的抗剪强度可以接近甚至达到混凝土的抗剪强度。既然坝休棍凝土与基宕能够胶结良好，因此，只要坝休与坝从各点的剪应力不超过该点村料的允许抗剪强度（允许剪应力）就应该认为大坝是处于安个状态，不会产生滑动。口角是抗力体底滑面与水平面的夹角。

3.结束语

本文利用弹塑性有限元作为计算工具，对坝体层面进行不同比例降强度来模拟碾压混凝土重力坝的破坏过程，进而对其稳定性进行分析.对碾压混凝土重力坝进行弹塑性分析时，坝基视为各向同性弹塑性体，由于施工的特点，坝体具有明显的成层性，故将坝体视为横观各项同类型工程的施工措施和工艺要求方式。

【参考文献】

[1]戴会超，苏怀智.三峡大坝深层抗滑稳定研究[J].岩土力学，2006（04）.

篇4：碾压混凝土重力坝深层抗滑稳定研究

碾压混凝土重力坝为分层碾压浇筑, 因而坝体具有明显的层状构造, 由此带来的突出问题就是坝体渗漏和混凝土层面间的抗滑稳定问题, 尤其是当施工过程中层面处理不当或混凝土本身存在缺陷时问题更为严重[1,2]。这就会影响坝体的安全性, 因而除了同常态混凝土坝一样须计算坝基面和深层抗滑稳定外, 还须计算坝体沿碾压混凝土层面的抗滑稳定安全度[3,4]。目前在碾压混凝土重力坝层间可靠度计算上还尚未见报道。本文运用三维非线性有限元来分析, 其功能函数无法显式表达, 这给结构可靠度计算带来了较大的困难[5]。因此在查阅大量文献, 对结构可靠度计算方法进行了详细的分析和总结基础上[6], 结合云南省等壳水电站碾压混凝土重力坝有限元分析及可靠度计算研究性课题, 利用响应面法构造复杂结构功能函数的优势, 采用响应面法、JC法及窄界限法相结合的方法, 对云南等壳水电站碾压混凝土重力坝进行了坝体层间单元抗滑稳定可靠度计算及层间体系可靠度计算。其步骤可概括为:

(1) 根据三维非线性有限元构建计算等壳碾压混凝土重力坝模型; (2) 根据等壳电站实际情况及坝体材料性质选定随机变量xi, 并进行变量随机波动计算。

(3) 根据三维非线性有限元变量随机波动计算结果, 采用响应面法构造等壳碾压混凝土重力坝层间结构功能函数Zi=gi (x1, x2, …, xn) 。

(4) 采用JC法求解层间单元结构可靠指标β值。

(5) 利用窄界限法原理求解层间体系可靠度指标β值。

通过上述计算, 获得了较为满意的结果, 用于碾压混凝土重力坝层间抗滑稳定可靠度分析是可行的。

1 工程实例

1.1 工程概况

等壳水电站位于云南省保山市龙陵和腾冲两县界河龙江干流中下游的等壳田附近河段上。水库总库容为5 324.2万m3, 电站总装机3台, 装机容量120 MW (3×40 MW) , 多年平均发电量5.4亿kWh, 为中型水电站工程。工程等别为Ⅲ等, 永久性主要建筑物级别为3级, 次要建筑物为4级。该电站主要建筑物包括拦河大坝、引水建筑物和坝后式发电厂房等。挡水建筑物为碾压混凝土重力坝, 坝顶高程1 022.40 m, 河床高坝段建基面高程946.00 m, 最大坝高76.4 m, 坝顶总宽度8.4 m。

1.2 随机参数确定

对于等壳碾压混凝土重力坝, 在不影响分析精度的前提下, 为了简化计算可将变异性相对较大的参数设置为随机变量。在本文模拟分析过程中对变异性较小的参量, 如混凝土和岩体的容重、温度荷载、线胀系数α及泊松比μ等按定值处理。对库水压力、扬压力系数α、混凝土及岩体弹模、抗剪参数c, φ等变异性一般较大的参数按随机变量考虑, 根据地质勘探资料、原设计报告及参考相关规范[7,8], 取定涉及坝基岩体、混凝土四种材料的随机特性, 其力学参数共31个, 并假定各随机变量相互独立, 所需随机参数统计特征见表1所示。

1.3 模型构建

1.3.1 三维有限元分层建模

本文采用8结点六面体等参单元, 对等壳水电站RCC大坝非溢流坝段建立三维有限元模型。同时根据该电站设计中的施工安排, 碾压层取1.2 m的高度, 采取分层建模, 每一层的高度为1.2 m, 大坝最大坝高为76.4 m, 最终建成的模型中坝体分为62层, 进行正常工况的计算。其范围:横河向25 m, 即一个完整坝段的宽度;顺河向以坝轴线为界上游取148.2 m, 约1.5倍坝高, 下游取227 m, 约3.0倍坝高;铅直向取至844.00 m高程, 约1.5倍坝高, 坝体共剖分16 960个单元, 23 653个结点, 模型见图1。

1.3.2 基于响应面法的功能函数构建

根据抗剪断公式建立坝体层面的功能函数:

$\begin{array}{l}{\rm Z}{}_i=f{}_i{\displaystyle \sum \sigma }{}_{ni}+C{}_i{\displaystyle \sum S}{}_{ni}0{\displaystyle \sum \tau }{}_{ni}\\ (i=1‚2,\cdots ,62)(1)\end{array}$

式中:fi为第i层面摩擦系数; σni为第i层面正应力求和, 由三维非线性有限元计算所得;Ci为第i层间凝聚力;Sni为第i层面的面积总合;τni为第i层面剪应力, 由三维非线性有限元计算所得。

建立层面响应面方程, 不考虑交叉项 :

${\rm Z}=a+{\displaystyle \sum _{i=1}^{31}b}{}_{i}x{}_i+{\displaystyle \sum _{i=1}^{31}c}{}_{i}x{}_i^2(2)$

式中:xi为影响层面抗滑稳定的随机参数 (见表1) ;a为常数项;bi为一次项系数;ci为平方项系数。

按照响应面法原理[9], 对表1中的31个参数进行波动计算, 波动时取均值μ±fσ, f取1, 由于有31组参数, 将其中的一组按μ±fσ波动一次, 而其他的参数不变, 在有限元中计算一次, 然后输出结果, 依次类推, 最后每一层面的功能函数值有2N+1=61组, 然后进行每一层面的功能函数的回归, 最后得到每一层面的功能函数系数。

2 层间抗滑稳定可靠度分析

2.1 层间单元抗滑稳定可靠度分析

根据上述功能函数构建方法, 获得每一层面功能函数响应面系数, 运用JC法原理[10,11], 编制电算程序求得其层面可靠指标β见图2、3。可以看出, 靠近坝顶处的几个碾压层, 水压力较小, 层面所受的剪应力也相应微小, 所以按照抗剪断公式计算得到的安全系数K很大, 相应的可靠指标β也是较大, 其中最大为5.05 (顶层) , 失效概率则为最小, 后面各个层面的安全系数则是由于剪应力逐渐增大而减小, 当接近坝基几层时, 由于材料的非连续性导致应力集中以及水压力达到最大, 其剪应力减少幅度较大, 可靠指标β变幅也大, 达到最小为4.32, 相应的失效概率最大为4.34×10-6。但是相应几层的K值变幅没有变化, 这说明传统的安全系数法不能够完全准确的描述一个构件的失效概率, 大坝的不同层面的安全性无可比性;用可靠度来度量是较为更严格合理, 能够定量的表述大坝的安全性, 并且在不同层面具有一定的可比性;总的来说, 每一个层面的安全系数和可靠指标的规律都是大致从坝体自顶而下减小, 安全系数越大, 可靠指标也越大, 失效概率越小, 起到了相互照应的效果, 证明结果基本合理。

2.2 层间抗滑稳定体系可靠度分析

碾压混凝土坝为分层碾压, 每一层面都是可能的控制滑动面, 整个坝体的可靠度是一个系统可靠度问题。由重力坝的失稳特性可知, 碾压混凝土重力坝沿某个层面的滑动失稳就会造成整个坝体的破坏, 因此可以认为碾压混凝土重力坝的失稳是系统可靠度中的串联问题。由上节得到的每一层面的可靠度指标, 按照串联体系的窄界限法原理[12], 62个碾压层构成了该坝段的一个串联体系, 编制电算程序求得等壳电站该坝段的层间抗滑稳定体系可靠指标β′为4.12, 体系失效概率Pf为2.11×10-5, 由β′>3.2可得, 该坝段层间抗滑稳定体系可靠度是安全的。

敏感性分析是结构可靠度计算中一个重要的内容, 其对基于可靠度的结构设计和可靠度的校验都有十分重要的指导意义[13], 由等壳坝体随机参数特征表可得, 以层间凝聚力C、内摩擦角φ、弹性模量E、库水压力H, 4类随机变量的变异系数来分析层间体系可靠度指标的灵敏性问题, 其结果见表2、图4。由表2可得随机变量变异系数的变化对层间可靠度指标影响密切, 大体上随着变异系数的增加, 相应的可靠指标逐步减小。其中变异系数中内摩擦角φ因子的敏感性最高, 即对等壳大坝层间抗滑稳定可靠度影响最大, 层间凝聚力C也有一定的敏感性, 弹性模量E、库水压力H这两个随机变量基本没有变化;同时, 由图4可得, 四个随机变量不同程度上对体系可靠度有一定的影响, 其中内摩擦角φ因子的敏感性最大, 这与对层间可靠度的影响是一致的。

3 结 语

(1) 对RCC重力坝层间抗滑稳定安全系数控制指标, 设计规范中未作明确规定。本文采用抗剪断公式, 获得各层面安全系数K均大于3.0。各层面可靠指标及体系可靠指标均大于目标可靠指标3.2。表明该坝段层面稳定是安全可靠的。

(2) 碾压层面上的抗剪指标-内摩擦角φ的高敏感性, 其变异系数的变化对层间抗滑稳定可靠度影响非常显著, 应加强这方面的取样统计研究及控制好层间施工质量, 降低材料的变异系数是提高层间抗滑稳定可靠度指标的一个重要措施。

(3) 采用响应面法、JC法和窄界限法相结合进行可靠指标的计算, 一般只需迭代4～5次, 即可满足工程精度要求, 实践证明该方法效率高, 实用性强, 用于碾压混凝土重力坝层间抗滑稳定可靠度分析是可行的, 具推广价值。

注释:可靠指标β:它是一个无因次的系数, 是失效概率Pf的度量, β越大, Pf越小。其几何意义为均值点到失效边界上的最短距离。即$\beta =\overline{{\rm Z}}/\delta {}_z$, 其中$\overline{{\rm Z}}$、δz分别表示功能函数的均值和标准差。

安全系数K=mR/ms, MR、ms分别表示为平均结构抗力、平均荷载效应。

篇5：碾压混凝土重力坝深层抗滑稳定研究

摘要：施工期温度变化效应是碾压混凝土重力坝的主要荷载形式之一，一般人们会注意到这一点，但所选择的温控措施却不尽相同，甚至大相径庭，这也让该坝型的温控设计存在争议，因此本文对有关问题进行了探讨。

关键词：施工期；温度变化效应；碾压混凝土重力坝；设计

碾压混凝土重力坝是上世纪80年代发展起来的，采用干硬混凝土碾压施工筑成的实体重力坝，与常态混凝土重力坝相比，由于具有施工快、省水泥、造价低、工期短等优势，所以该坝型得到迅速推广应用，目前最大坝高已超过200m[1，2]。在碾压混凝土重力坝设计时，施工期温度变化效应是人们关注的焦点之一，因为混凝土导热性能较差，若集聚在混凝土内部的水泥水化热不加控制，那么温度应力就会超过混凝土允许变形的能力而引起开裂，因此施工期温度控制就成为碾压混凝土重力坝设计中的重要问题，本文对此进行了研究和探讨。

1 考虑施工期温度变化效应的碾压混凝土重力坝的设计思路

1.1 碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝的差异

目前，针对常态混凝土重力坝施工期温度变化效应的研究比较成熟，但由于碾压混凝土重力坝出现时间并不长，研究的系统性、深度相对不足，于是很多人习惯于采用常态混凝土重力坝的观点和方法来考虑碾压混凝土重力坝的设计问题，这就难免产生偏差，实际上碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝在施工期温度变化效应方面有明显的差别，主要表现在以下3个方面：（1）碾压混凝土配用水泥较少，掺用大量粉煤灰，水化热较常态混凝土少，这是事实，但因主要采用通仓薄层快速浇筑方式，坝体内部热量不易散失，沿浇筑层高度方向温差大，恒温时间很长，例如某坝高140m的碾压混凝土重力坝经仿真分析，温度场稳定时间需在30年以上，所以同样温差条件下碾压混凝土重力坝内部温度应力比常态混凝土大。（2）碾压混凝土水泥含量少，抗拉强度和徐变较小，所以其抗裂能力较弱，再加上一般不设置纵缝和埋设冷却水管，施工期间更易出现表面裂缝和上游面劈头裂缝。（3）碾压混凝土重力坝在坝基上通常会浇筑2m厚的常态混凝土面板，以便停歇一段时间（如2个月）后进行基岩固结灌浆，该面板常出现贯穿性裂缝，并会向上扩展到碾压混凝土层，即使跨裂缝布设骑缝钢筋也难以避免。以上特点决定了碾压混凝土重力坝温控设计思路与常态混凝土重力坝不同。

1.2 碾压混凝土重力坝施工期温度控制思路

基于碾压混凝土重力坝施工期温度变化效应，提出以下设计思路：（1）优化混凝土配合比，协调温度应力与混凝土抗拉强度关系[3]。在满足混凝土强度、极限拉伸值、抗渗、抗冻等指标基础上，配制线膨胀系数小、弹性模量低、浇筑性能好、抗拉强度高的混凝土，例如增加Ⅰ级粉煤灰掺量，掺加高效缓凝减水剂和引气剂，以降低水胶比。合理选择的骨料级配，例如采用四级配混凝土，石子骨料按特大石：大石：中石：小石=2：3：3：2（最大粒径控制在120mm）配制，减少胶凝材料用量，可以简化温控措施，提高碾压层厚（采用50cm）和施工进度[4]。（2）温控措施应结合混凝土浇筑计划，也就是根据混凝土浇筑时的温度变化、浇筑部位等情况采取相应的温控措施。年温变化较大的地区，碾压混凝土温度应力更大，所以应采取更严格的温控措施，反之则可采取较为宽松的温控措施。在大坝强约束和温度降幅大的部位，应采取更严格的温控措施，而在大坝次要部位和温度降幅小的部位，可采取相对宽松的温控措施。（3）温控措施应结合温控标准和温控对象。施工期混凝土约束应力主要呈现广泛分布状态，对混凝土自身缺陷较为敏感，所以温控标准要求更高，温控措施更加严格。同时针对不同的温控对象要有相应的温控措施，例如水闸底板闸墩以限裂设计为主导，而厂房进水口框架以抗裂设计为主导，这些情况不应等同于混凝土重力坝。（4）鉴于碾压混凝土重力坝施工期温度变化效应的复杂性，应结合大坝结构、施工过程、计算能力与精度要求，并且同时考虑温度、水压力和大坝自重三种负荷，采用有限元法计算大坝温度应力。

2 基于施工期温度变化效应的碾压混凝土重力坝的其他设计问题讨论

2.1 大坝结构型式

大量实践和理论研究证实，坝体受到约束越强，例如体型复杂、孔洞较多、基础不平整等情况，越容易开裂，因为这些型式和部位容易形成应力集中，开裂的可能性也就较大，因此对于碾压混凝土重力坝来说，为避免坝体中产生贯穿性裂缝，就应该改善坝体体型和结构，大坝外形应尽可能平顺，减少突然的转折，内部孔洞设置也应尽量减少，基础面尽量整平。

2.2 大坝上游面温度缝的设置

目前，对于碾压混凝土重力坝是否分缝有两种不同的做法：一种主张不分缝，其理由是不分缝的坝体具有类似拱坝的超静定结构特征，不仅超载能力强，兼具施工简便、坝体工程量减少、施工工期短等特点，而且对于防渗要求不高的二类坝来说坝体开裂漏水也不影响运行；另一种主张分缝，按20～30m间距设置横缝。设置适当的温度缝可以减少开裂并无争议，对防渗要求较高的一类坝宜根据坝体结构在应力集中的部位设置横缝。温度缝和横缝宜采用诱导缝型式，不影响大仓面浇筑施工。可在大坝上游面设置温度缝，缝深距上游面3m，并应采用止缝孔结构，因为槽钢止缝仍会影响仓面施工。

2.3 冷却水管的设置

一般来说，在混凝土结构内部埋设水管，可以降低混凝土温度，控制混凝土内外温差和减少温升幅度，但也许不是所有情况都是合适的。据某工程现场测试，浇筑层每层敷设水管占用2.5～4h时间，但这段时间混凝土浇筑温度最大升高了约10℃，也就是说为了降低混凝土温度而不得不增加仓面覆盖时间的做法，反而更易引起混凝土温度升高，因此从施工质量控制、施工费用控制角度来讲都不够合理[5]。但如前所述，碾压混凝土重力坝体积很大，内部温度降低十分缓慢，往往在运行后要经过数十年乃至上百年才能达到稳定状态，在冬季低温和寒潮来袭下，上游面易出现劈头裂缝，对于高碾压混凝土坝还是应该采取通冷却水的措施，因为不能只注重施工期的温度控制而不顾运行期的裂缝控制。

2.4 浇筑层厚与间歇时间的设置

碾压混凝土浇筑一般采取薄层短间歇连续浇筑方式，但近来倾向于厚层短间歇连续浇筑方法，前者不设冷却水管，但因为浇筑层数多，易受到下雨等不利天气的影响，并在高温季节易受到热量倒灌影响，后者需配置通水冷却等仓面保护措施，但温控成本比前者更低[5]，这种变化值得设计人员注意。

3 結语

施工期温度变化效应是碾压混凝土重力坝设计工作中关键问题之一，而温控措施主要基于成本、质量、进度三方面考虑，然而无论采取哪种措施，各种措施的综合协调运用都是最重要的，只有综合坝型、材料、施工、环境等条件采取最有利的做法，才能确保大坝安全运行。

参考文献：

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[3] 王焰驹. 碾压混凝土重力坝工程温度控制施工技术[J]. 水利技术监督，2014（2）：60-62.

[4] 张海超，姚元成，罗洪波，等. 四级配碾压混凝土在沙沱水电站中的设计及应用[J]. 贵州水力发电，2012，26（1）：28-31，45.

篇6：碾压混凝土重力坝深层抗滑稳定研究

位于云南省保山龙江中下游装机120 MW的等壳水电站主要建筑物包括拦河大坝和坝后式发电厂房等。拦河坝为碾压混凝土重力坝,坝顶高程1 022.40 m,最大坝高76.4 m,坝轴线长294 m,共分13个坝段。水库正常蓄水位为1 019.00 m,下游河床水位为966.42～973.10 m。

为减少坝体渗漏,降低坝体内扬压力,坝体上游面设厚度为3.0～8.0 m的防渗面板,下游设4m厚的防返渗面板,均采用二级配R90200W6碾压混凝土,坝内则采用三级配R90100W4和R90150W4碾压混凝土填筑;在防渗面板下游设两层排水检查廊道,并通过上下层排水廊道间和与灌浆廊道间的间距为3 m的竖向排水管(孔)将坝体渗水引入基础排水系统,汇至坝基集水井内。

为减少坝基渗漏,降低坝基扬压力,增强坝基的抗滑稳定性,在坝基内进行帷幕灌浆防渗处理,灌浆孔按双排布置,第一排伸入相对隔水层(q<5 Lu)内5 m,第二排深度取第一排的0.5倍,帷幕区允许渗透比降[Jc]=20,帷幕计算厚度为2.2～2.3 m。在坝基设主、副排水孔,主排水孔设在灌浆帷幕下游侧,从灌浆廊道内钻设,孔深为帷幕深度的0.5倍,倾向下游,孔距3 m;副排水孔在下游两条纵向基础排水廊道内钻设,孔距3.0 m,孔深8 m。坝体和坝基渗水通过坝基纵横向廊道内的排水沟汇集至7#坝段坝趾的集水井内,由两台深井泵,其中一台备用,定时抽水排至下游。

有限元法是模拟渗流场的有力工具[1,2,3,4,5],本文通过建立非溢流坝段的准三维有限元模型,模拟坝体排水管和排水廊道、上下游防渗层、坝基灌浆帷幕、坝基排水管和排水廊道等,对正常蓄水位工况下的坝体、坝基的渗流总水头、压力水头、渗透比降、坝基扬压力分布及渗流量进行计算分析研究,以对坝体和坝基的防渗排水措施、渗漏量给出评价,验证设计方案的合理性。

2 非溢流坝段稳定渗流场准三维有限元分析

2.1 有限元模拟范围及结构离散

准三维有限元模拟范围:沿坝轴线方向的模型厚度取为排水孔间距的1/2,即1.5 m;顺河向以坝轴线为界上游取150 m,约2倍坝高;下游取230 m,约3倍坝高;铅直向取至831 m高程,约1.5倍坝高。

结构离散中坝体碾压混凝土及坝基岩体采用8结点六面体等参单元模拟(含少量退化单元),坝基常态混凝土层和碾压混凝土之间的接触面,一期、二期和三期碾压混凝土间的接触面采用4结点六面体夹层单元模拟,坝基排水孔采用三维2结点杆单元模拟,坝体排水管的模拟方法较多[6,7,8,9,10],本文按其实际孔径进行模拟,管壁按溢出边界处理,渗流溢出点位置通过迭代计算确定。整个计算域共剖分为8 118个单元,16 432个结点。

计算坐标系的X轴以上游指向下游为正,Y轴以右岸指向左岸为正,Z轴以铅直向上为正,整个坐标系符合右手螺旋规则。

由于所研究坝段的坝体结构和地基情况基本相同,采用准三维模型基本能够反映该坝段坝体、坝基的渗流情况,而单元数可以大大减少。有限元网格如图1所示。

2.2 有限元计算模型材料参数

碾压混凝土设计按30 cm一层填筑,层间存在水平施工缝,由于混凝土本体的渗透系数一般较小,所以这些层间施工缝是影响碾压混凝土坝渗流特性的关键因素,进行渗流分析时应重点模拟,但是缝的数量多,逐一进行模拟难以实现。由于平行于缝面的渗透性要远大于垂直于缝面的渗透性,因而将碾压混凝土本体及其中的水平施工缝进行等效均化,即按均一旦各向异性的渗透介质考虑。

考虑碾压混凝土施工缝为不进行处理的连续上升结构面,含施工缝碾压混凝土的水平向和垂直向等效渗透系数根据顺层面方向的流量守恒条件和垂直层面方向的等水头差条件求得:

$\{\begin{array}{l}k{}_t=\frac{1}{B}[k{}_{RCC}(B-b)+k{}_{f}b]\\ k{}_n=\frac{k{}_{RCC}B}{B-b}\end{array}(1)$

式中:kRCC、kf分别为混凝土本体和缝面的渗透系数,根据室内和现场试验结果以及类似工程经验取kRCC=4.19×10-9cm/s,kf=1.0×10-4～1.0×10-6cm/s;B、b分别为混凝土碾压层厚和缝面影响带的宽度,b=1～3 cm。

室内试验和现场压水试验表明,对于短间歇、施工质量良好的施工缝,其渗透性一般不是很大,但对于长时间间歇的缝面,如:坝基常态混凝土层和碾压混凝土之间的接触面,一期、二期和三期碾压混凝土间的接触面,其渗透性通常比较大,这些接触面往往成为坝体的集中渗漏通道,计算时根据类似工程经验取较大的渗透系数以分析其对坝体渗流特性的影响。另外,通过相关工程水文、地质资料分析,坝基岩体的渗透性按各向同性考虑。具体采用的有限元模型材料参数见表1。

2.3 渗流计算工况

选用正常蓄水位1 019 m(相应下游水位967.13 m),坝体和坝基的防渗、排水设施运行正常情况作为计算工况,进行稳定渗流分析计算。

2.4 渗流计算成果及分析

采用前述的准三维有限元模型,对正常蓄水位工况下坝体、坝基稳定渗流场总水头、压力水头、渗透比降、坝基扬压力分布及渗流量进行计算分析,主要成果见图2、图3。

由图2坝体压力水头等值线可以看出,由于上游二级配碾压混凝土防渗体和坝体排水管幕的防渗减压效果明显,坝体内浸润线的位置较低,进入坝体的上游来水在帷幕灌浆廊道底部附近渗出,因为碾压混凝土渗透性具明显的各向异性特征,水平向渗透性较铅直向大很多,所以浸润线形态接近水平。另外,由于该坝段正常运行工况的下游水位较高,在该工况下会发生下游尾水向坝体反渗的现象,从计算结果可以看出,设置下游坝面防渗体对于削减渗流水头、降低坝体浸润线作用明显。

坝体、坝基较大的渗透比降值主要分布于上游防渗体下游侧灌浆廊道附近、防渗帷幕中下部以及下游防渗面板上部,最大值为20,满足规范和设计要求。因此,正常运行工况下,坝体和坝基材料的抗渗稳定是可以得到保证的。

由图3可以看出,坝基面的扬压力分布符合一般规律,灌浆帷幕及帷幕后的主排水孔对降低坝基的扬压力作用明显,帷幕后的扬压力作用水头为幕前(坝踵)的0.22;同时,靠下游的两排坝基副排水孔对降低扬压力也发挥了一定的作用,下游副排水孔幕处的扬压力水头仅为坝趾处的0.39。坝基扬压力可以满足设计要求。

通过渗流量分析,计算得通过非溢流坝段坝基的单宽流量为0.86 m3/(d·m),以该单宽流量粗略推算年总渗漏量为9.20万m3,约为总库容的0.18%,不会对水库的正常运行造成不利影响。

3 结 论

从前面的计算结果可得出结论,坝体、坝基渗流场总水头、压力水头和渗透比降的分布规律合理,等值线形状、走向及其密集程度都正确地反映了相应位置处的岩土体渗流特性、边界条件的影响和渗控措施的作用。在上游坝体二级配碾压混凝土防渗体、坝基灌浆帷幕和坝体、坝基排水孔幕的联合作用下,上游进入坝体和坝基的渗流得到了有效的控制,渗流水头、坝基面扬压力和通过坝基的渗流量得到了极大的削减,说明大坝断面材料分区、坝体防渗及排水、坝基防渗及排水设计是合理可行的。

摘要：通过建立等壳水电站的非溢流坝段的准三维有限元模型,模拟了坝体排水管和排水廊道、上下游防渗层、坝基灌浆帷幕、坝基排水管和排水廊道等,对正常蓄水位工况下坝体、坝基的渗流总水头、压力水头、渗透比降、坝基扬压力分布及渗流量进行了计算分析,验证了坝体和坝基的防渗排水措施的合理性。

关键词：非溢流坝段,稳定渗流场,准三维,有限元分析

参考文献

[1]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].2版.北京:中国水利水电出版社,2003.

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篇7：重力坝抗滑稳定的研究方法概述

随着经济和科学技术的发展, 我们对一座大坝从设计到施工的全过程有了更加明确地把握, 当代的设计理论和施工工艺已经日臻完善。对于一座地基岩体完整、不存在较大缺陷的现代化混凝土大坝, 我们很难想象它会发生整体的失稳。所以, 摆在我们面前的首要任务就是如何将最新的技术和计算手段应用到坝基抗滑稳定的实际问题的处理和应用上。优化大坝的设计理论, 实现安全和经济的最优化处理。

一、研究重力坝抗滑稳定的方法

众所周知, 重力坝的结构属于悬臂式结构, 作用在结构上的外力主要是水的推力, 并且整个结构通过各个截面上的抗剪强度实现大坝的整体稳定。所以, 如何使重力坝能够保证适度的抗滑稳定安全系数, 是我们在设计重力坝时应当遵循的重要准则。

想要研究重力坝的抗滑稳定并不容易, 截止到目前也没有标准的规范和准则可以准训。总体来看, 可以总结出如下一些常见的应对重力坝抗滑稳定的相应方法:将刚体极限平衡法作为主要的讨论方法, 并结合相关的有限元分析或者利用物理模型的试验方法。安全系数的验算从整体出发, 并兼顾局部, 安全度标准的取值应当遵循高于正常条件的原则。

1. 刚体极限平衡法

刚体极限平衡法将整个研究对象看作是一个或者多个产生整体滑移的理想刚体, 通过探讨它们在临界失稳状态的影响因素来推算结构的稳定性。该方法之所以得到了广泛的推广, 与它本身具备的优点是离不开的。比如相关概念明确, 过程简单易懂, 思路清晰, 工程计算量不大;还可以通过手算来计算, 应用范围广泛, 涵盖了相当丰富的工程理论和经验, 有一套完整的设计准则等。在结构的滑移面是单一平面的情况下, 可以较准确的得到其稳定性分析结果。

当然, 本方法也存在着一些不足之处。诸如只能从宏观角度探讨坝基的抗滑稳定性, 对于结构的变位以及相应的应力分布不能得到明晰的结果, 对于结构的破坏机理同样如此;该方法也不能直接确定坝基最危险的滑动面, 而是通过试算的方法找到最危险滑动面, 并且计算的结果会因为抗剪断试验参数的准确性和计算方法的合理性而产生较大的浮动。实际上, 滑动面上的点并不是同时进入滑动状态的。该方法假定是同时的, 计算过程中对双滑面及多滑面安全系数的确定也没有准则可以遵循。并且就算是有章可循的浅层和单滑面安全系数, 对于这个系数本身也会由于规范制定者本身的局限而有误差。因此, 要辩证的看待刚体极限平衡法。虽然该方法在实践中应用的范围较广, 但是该方法得到的对坝体抗滑稳定安全度的分析是相对准确的, 可以把刚体极限平衡法作为研究坝体抗滑稳定的方法。

2. 有限单元法

同刚体法比较有限单元法具有更强的可操作性和准确性, 该方法能够通过坝基结构内外各点的应力及变位值, 得到结构软弱面上的局部安全系数, 进而得出整体抗滑系数。另外, 抗力体的应力值和变位值全部能够在该方法中得到体现。除了可以了解不同加固措施对结构的意义外, 还能够方便准确的确定破坏区最危险的位置。根据工程重要性级别的不同以及结构抗滑稳定问题的严重程度, 如果工程需要的话, 还要通过与之对应的物理模型进行深入的试验研究。

3. 模型试验法

模型试验也不失为研究坝体应力和抗滑稳定的一种方法。我们都知道, 一个好的模型一定可以较好的还原原结构的特性, 能够反映出原结构的力学情况和地质特点。如果不是这样, 可以说与建立模型的初衷背道而驰了, 这样的模型没有任何的实际意义。根据模型的应用情况, 我们将模型试验分为三种类型:第一种是最常见的静力模型试验, 该类型的材料会认为是弹性材料;第二种可以体现出坝体、基础出现的明显断裂;第三种是最高级别, 它可以反映出影响结构的综合因素和各种条件, 可以较真实的模拟坝体和坝基所处的工程地质条件等等。这种模型试验一般被称作地质力学模型试验, 并且这种模型通常只会应用到重要性级别较高的大型工程作业上。

4. 分项系数法

《混凝土重力坝设计规范》也更新了原有的设计原则, 应用了概率极限状态设计法, 通过分项系数极限状态设计表达式来进行相关的计算和设计, 混凝土重力坝包括承载能力极限状态和正常使用极限状态。该法的计算式包括分项系数和基本变量代表值, 它们体现出的是诸多因素对目标值得不同影响。分项系数法区别于其他方法的根本标志在于分项系数的理论基础是可靠度理论, 并且它们的取值是通过优选得出来的。我们不难看出, 新规范之所以建议使用该法, 就是因为它可以在结论中体现出与规定相对应的可靠度水平。

5. 可靠度方法

实际中的结构参数和荷载是不停的在变化的, 但是在上文叙述的刚体极限平衡法和有限元法却并不能够体现出这些不定性。当我们将这几种方法进行对比不难发现, 虽然前两种方法属于比较准确的力学算法, 可是计算过程中采用的参数都是相对粗略的。针对这一矛盾, 可靠度方法为我们提供了一种基于可靠度理论的算法, 即在应用传统力学计算的模型中把结构参数看作随机变量进行力学计算和结构分析。同样将随机变量引入有限元法, 也使得随机有限元法日渐兴起。近些年, 我国对随机有限元法的理论研究也日趋成熟。

二、结语

上文综述了计算重力坝抗滑稳定的五种算法。首先, 刚体极限平衡法无论在时间还是空间的应用范围都比较广泛, 理论也比较完善, 是讨论坝体抗滑稳定最为常见的方法之一, 但涉及深层抗滑问题还有很多问题有待解决。其次, 有限单元法的出现, 使得重力坝的设计出现了许多方面的新发展。再次, 模型试验要想反映出影响结构的综合因素和各种条件, 通常会比较复杂。所以, 这种方法通常只会应用到重要性级别较高的大型工程项目上。新规范之所以建议使用分项系数法, 就是因为它可以在结论中体现出与规定相对应的可靠度水平, 并且能够体现出诸多因素对目标值得不同影响。最后, 可靠度方法为我们提供了一种把结构参数看做随机变量进行力学计算和结构分析的方法。

摘要：重力坝失稳问题的产生几乎全部是因为在工程勘测的前期对地质地况没有进行详细的了解, 以致忽视了坝基中存在的软弱夹层, 最终导致了各种工程问题的产生。本文通过总结重力坝抗滑稳定的分析方法, 比对各种方法 的优缺点, 从而清晰地得出重力坝抗滑稳定分析的趋势, 为工程的建设提供了借鉴意义。

关键词：重力坝,抗滑稳定,安全系数,可靠度

参考文献

[1]左东启, 王世夏, 林益才.水工建筑物 (上册) [M].南京:河海大学出社, 1995.

[2]潘家铮.水工建筑物设计丛书重力坝[M].北京:水利电力出版社, 1983.