CN102590085A - 一种拱坝施工期横缝性态辨识方法 - Google Patents

Abstract

一种拱坝施工期横缝性态辨识方法，是一种采用横缝测缝计的张开度监测值按系列判据来辨识拱坝施工期间横缝性态的方法，涉及拱坝横缝施工的技术指导。本发明根据工程数据统计分析和工程经验等预先设定各判据的阈值，使用横缝测缝计实时监测横缝张开度，按照判据计算相关指标进行横缝性态的辨识。该方法具有判据简单易懂，判断准确，操作简便的特点，对拱坝施工期间实时正确把握横缝真实工作性态有显著效果，且能为灌浆时机的选择和横缝缝面的处理等决策提供有效的依据。

Description

一种拱坝施工期横缝性态辨识方法

技术领域

本发明为拱坝施工期横缝工作性态的辨识方法，涉及混凝土坝横缝施工的技术指导领域。

背景技术

垂直于坝轴线设置的横缝，通过分离坝体以适应所在河谷的地形和地质变化，满足施工期沉陷的需要；预留空间以顺应浇注混凝土时的温升和气温变化造成的坝段膨胀；增加散热面，方便散热，以满足防止开裂的需要；分段分块浇注以满足施工需要。在施工中，需在横缝面上分层布设键槽，以适应剪力的需要。在横缝浇注完成后的适当时间，即坝体温度场达到稳定温度场时，进行压力灌浆，填充缝面，使坝体成为整体。

施工期间横缝的性态对坝体施工组织的关键时间节点有决定性的影响作用。然而，拱坝施工期间，其横缝性态比较复杂，主要体现在三个方面：1、开合状态复杂。单条横缝，不同高程处于不同的开合状态。横缝底部接缝灌浆区域，经过接缝灌浆处理后，缝面被接缝灌浆材料充实，而在接缝灌浆区域以上，大部分区域由于温控等因素作用，缝面张开，顶部部分区域，由于混凝土浇筑时间不长，缝面可能仍处于粘合状态。2、结构受力复杂。随着坝体的升高，大坝逐步体现出三维结构特征，河床坝段与陡坡坝段横缝性态的差异性也将日趋明显，影响横缝开合因素不再仅仅是温控、施工等因素，还需要考虑陡坡、倒悬和悬臂等因素对大坝结构受力、横缝开合的影响。3、动态过程作用。工程早期，固结灌浆、通水检查等外界干扰因素会使得横缝拉开，不过当时横缝并未接缝，造成的不利影响较小。随着接缝灌浆区域逐渐增长，通水检查和接缝灌浆可能会对已接缝区域产生影响，尤其是在发生窜区行为的灌区。

横缝性态的研究主要有数值计算和现场原型监测两种方法。采用数值方法求得横缝张开度及其变化过程，从而明确横缝所处的状态，这种方法因需建立复杂的坝体模型且横缝的接触状态难以模拟，故较为费时费力，结果准确性也不高。而采用现场原型监测的方法因时效性好且精度可保证，故成为了横缝性态研究的一种主要手段。但目前基于监测数据的横缝性态的辨识缺少明确统一的方法，规范中也只是对横缝接缝灌浆所要求的缝面最小张开度做了规定，故一种能辨识出施工期间横缝各时刻所处状态的方法是亟需的。这十分利于确定灌浆时机，同时也为横缝施工工艺提供技术参考，提高拱坝的接缝质量。

发明内容

本发明的目的是针对施工期拱坝横缝，提供一种横缝性态的辨识方法，准确地把握横缝性态，为接缝灌浆时机的选择和横缝张开度的控制提供决策依据。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的，该方案包括如下步骤：

1)施工期间在横缝处布设横缝测缝计，以实时获得横缝的张开度监测值，将采集的数据和各灌区灌浆时间的信息输入到数据处理单元，横缝测缝计布设方式为：

a)竖直方向上，在各灌区或间隔1～2个灌区布设横缝测缝计；

b)横河向方向上，在全部或至少一半横缝处布设横缝测缝计；

c)顺河向方向上，在中游或上中下游横缝处布设横缝测缝计；

2)预先设定横缝拉开前一刻张开度的阈值A₁、横缝拉开前后张开度变化量的阈值A₂、横缝拉开前一刻张开度日变化量的阈值A₃、横缝拉开前后张开度日变化量的阈值A₄、横缝张开度日变化量比值的阈值A₅、横缝张开度的阈值A₆、横缝接缝灌浆所要求的缝面最小张开度B₁、横缝发生异常变化前一刻张开度日变化量的阈值D₁、横缝发生异常变化前后张开度日变化量的阈值D₂和横缝发生异常变化张开度日变化量比值的阈值D₃；

3)判断横缝张开度监测值k是否满足条件：k_i+1≥0、k_i≤A₁和k_i+1-k_i≥A₂，如不满足，则说明测缝计埋设处的横缝处于闭合阶段；若满足则继续进行判断，若满足以下三个条件中任一条件，说明测缝计埋设处的横缝拉开，拉开日期为t_i+1：

i) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}\≤A_3,$ $\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}\≥A_4$ 和 $\frac{k_{i+2}-k_{i+1}}{t_{i+2}-t_{i+1}}\≥0$

ii) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}>A_3,$ $\frac{\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}}{\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}}\≥A_5$ 和 $\frac{k_{i+2}-k_{i+1}}{t_{i+2}-t_{i+1}}\≥0$

iii)k_i+1≥A₆

其中，t_i表示横缝测缝计始测日起第i日的监测日期；k_i表示横缝测缝计始测日起第i日的张开度监测值；i为正整数，且i≥2；

若以上三个条件i)、ii)和iii)皆不满足，则说明测缝计埋设处的横缝未拉开；

只要测缝计埋设处的横缝未拉开，则需要不断地对测缝计埋设处的横缝进行是否拉开的判断，直至横缝拉开为止；

4)确定横缝测缝计埋设处的横缝拉开后，判断横缝测缝计的张开度监测值k是否满足条件：k_i≥B₁，若满足，则说明该横缝测缝计埋设处的横缝张开度已满足灌浆要求；

5)根据步骤3)和步骤4)的所得结果对布设有横缝测缝计的未灌浆灌区的可灌程度进行考查，步骤如下：

a)计算表征灌区可灌程度的p指标，计算公式为

$p=\frac{m}{n}\×100\%$

式中，m为测缝计埋设处横缝已满足灌浆要求的测缝计数量；n为整个灌区所埋设横缝测缝计的数量；p为一个无量纲数，取值范围为0～100％，p值越大，表明灌区的可灌程度越高；

b)计算表征一个灌区进行灌浆引发其相连灌区横缝开合度发生突增可能性大小的q指标，计算公式为：

$q=\frac{l}{l_0}\×100\%$

式中，l为要考查可灌程度的灌区以上三个灌区横缝皆已拉开的横缝条数；l₀要考查可灌程度的灌区的横缝总条数；q为一个无量纲数，取值范围为0～100％，q值越大表明灌区的可灌程度越高；

6)确定灌区横缝完成灌浆后，对已完成灌浆的灌区进行灌浆质量是否遭到破坏的考查：

满足以下两个条件中任一条件，说明横缝发生异常变化，灌浆质量遭到了破坏：

i) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}\≤D_1$ 和 $\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}\≥D_2$

ii) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}>D_1$ 和 $\frac{\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}}{\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}}\≥D_3.$

使用横缝测缝计实时监测横缝张开度值，同时按照判据计算相关指标进行横缝性态的辨识，对横缝性态的认识更加完善更加深入，可为接缝灌浆时机的选择和横缝张开度的控制提供决策依据。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①对拱坝横缝是否拉开、整个灌区可灌程度和接缝质量是否遭到破坏等关键问题给出了具体的判据，清晰明了，便于编制相关程序。②可以明确的把握各时期各个横缝的情况和各个灌区横缝的总体情况，为灌浆时机的选择和横缝相关施工技术提供参考。

附图说明

图1为横缝结构示意图。

图2为横缝性态判断流程图。

图中：1-坝体地基；2-横缝测缝计；3-横缝；4-灌区；5-坝段。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施方式：

本发明是在现有技术的基础上，通过布设仪器和制定相关判据，实现了对拱坝施工期横缝性态的辨识。具体方式可按如下步骤实施：

1)，施工期间在横缝3处布设横缝测缝计2，以实时获得横缝3的张开度监测值，将采集的数据和各灌区灌浆时间的信息输入到数据处理单元，横缝测缝计2布设方式为：

a)竖直方向上，在各灌区4或间隔1～2个灌区布设横缝测缝计；

b)横河向方向上，在全部或至少一半横缝3处布设横缝测缝计；

c)顺河向方向上，在中游或上中下游横缝3处布设横缝测缝计。

2)，根据工程数据统计分析和工程经验等，预先设定各判据的阈值A₁～A₆、B₁和D₁～D₃。A₁为横缝拉开前一刻张开度的阈值，A₂为横缝拉开前后张开度变化量的阈值，A₃为横缝拉开前一刻张开度日变化量的阈值，A₄为横缝拉开前后张开度日变化量的阈值，A₅为横缝张开度日变化量比值的阈值，A₆为横缝张开度的阈值，B₁为横缝接缝灌浆所要求的缝面最小张开度，D₁为横缝发生异常变化前一刻张开度日变化量的阈值，D₂为横缝发生异常变化前后张开度日变化量的阈值，D₃为横缝发生异常变化张开度日变化量比值的阈值。

3)，测缝计埋设处的横缝是否拉开的辨识

因为灌浆前的坝体横缝为大体积新老混凝土粘结面，混凝土属于准脆性材料。根据拱坝工程横缝张开度数据的统计分析可知，横缝一般会在张开度为负值或微小正值时发生突增行为，这是横缝拉开的表现特征。采用张开度日变化量来描述横缝这种拉开行为，可分为两种情况。一种情况是，在横缝张开度为负值或微小正值时，横缝张开度日变化量突然变大，较之前的张开度日变化量大很多，使得横缝张开度由负值变为正值或由微小正值变为较大正值，且随后几天内横缝张开度日变化量大于等于0，未发生回落，具体表达形式为：

和

另一种情况是，在横缝张开度为微小正值时，横缝后一天张开度日变化量与前一天的张开度日变化量的比值突然变大，且随后几天内横缝张开度日变化量大于等于0，未发生回落，横缝张开度由微小正值变为较大正值，具体表达形式为：

和

此外，还有一些横缝张开度一直变化较为平缓，并未在张开度由负值变为正值过程及增长过程中发生张开度突增行为，对于这种横缝拉开形式，可采用当横缝张开度大于某一较大张开度值来确定横缝已拉开，具体表达形式为：k_i+1≥A₆。

根据横缝测缝计2张开度监测值来判断横缝测缝计埋设处的横缝3是否拉开，首先判断横缝张开度k是否满足条件：k_i+1≥0、k_i≤A₁和k_i+1-k_i≥A₂，如不满足，则说明横缝测缝计埋设处的横缝处于闭合阶段；若满足则继续进行判断，若满足以下三个条件中任一条件，说明横缝测缝计埋设处的横缝拉开，拉开日期为t_i+1：

i) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}\≤A_3,$ $\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}\≥A_4$ 和 $\frac{k_{i+2}-k_{i+1}}{t_{i+2}-t_{i+1}}\≥0$

ii) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}>A_3,$ $\frac{\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}}{\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}}\≥A_5$ 和 $\frac{k_{i+2}-k_{i+1}}{t_{i+2}-t_{i+1}}\≥0$

iii)k_i+1≥A₆

其中，t_i表示横缝测缝计始测日起第i日的监测日期；k_i表示横缝测缝计始测日起第i日的张开度监测值；A₁为横缝拉开前一刻张开度的阈值，因横缝一般在张开度值为负值或微小正值时发生张开度突增行为造成横缝拉开，故A₁可考虑取一个微小正值，取值范围一般为0～0.2mm；A₂为横缝拉开前后张开度变化量的阈值，因横缝拉开时张开度大多表现出张开度突增的现象，即横缝拉开时张开度变化量相对张开度正常增长时较大，故A₂可通过参考横缝拉开前一段时间内张开度变化情况，取正常增长时张开度变化量的某一倍数来确定，该倍数的取值范围一般为2～4倍；A₃为横缝拉开前一刻张开度日变化量的阈值，具体取值由横缝拉开前一段时间内张开度日变化量情况确定，根据工程数据统计分析和工程经验其取值范围一般为0～0.05mm/d；A₄为横缝拉开前后的张开度日变化量的阈值，具体取值由横缝拉开前后张开度日变化量情况确定，根据工程数据统计分析和工程经验其取值范围一般大于0.03mm/d；A₅为张开度日变化量比值的阈值，具体取值由横缝拉开前后张开度日变化量情况确定，根据工程数据统计分析和工程经验其取值一般大于2；A₆为横缝张开度的阈值，当横缝张开度大于该值即可确定横缝已拉开，根据工程数据统计分析和工程经验其取值范围一般为0.2～0.3mm；i为正整数，且i≥2。

若以上三个条件i)、ii)和iii)皆不满足，说明横缝测缝计埋设处的横缝未拉开，仍处于闭合阶段。

只要测缝计埋设处的横缝未拉开，则需要不断地对测缝计埋设处的横缝进行是否拉开的判断，直至横缝拉开为止。

4)，测缝计埋设处的横缝是否满足灌浆要求的辨识

若经步骤3)判断确定测缝计埋设处的横缝3已拉开，则接下来采用横缝测缝计2的张开度监测值对测缝计埋设处的横缝3进行是否满足灌浆要求的考查。具体如下：

若k_i≥B₁，说明该横缝测缝计埋设处的横缝张开度满足灌浆要求。

其中，B₁为横缝接缝灌浆所要求的缝面最小张开度，B₁的取值根据规范和经验一般取为0.5mm。

5)，灌区横缝是否具备灌浆条件的考查

当对所有的横缝测缝计2监测数据完成步骤4)的判断后，则根据步骤3)和步骤4)的结果对布设有横缝测缝计2的未灌浆灌区的可灌程度进行考查。具体步骤如下：

a)计算表征灌区可灌程度的p指数，p指数是指灌区测缝计埋设处横缝满足灌浆要求的测缝计数占整个灌区所埋设横缝测缝计数的比例，计算公式为

$p=\frac{m}{n}\×100\%$

式中，m为测缝计埋设处横缝已满足灌浆要求的测缝计数量；n为整个灌区所埋设横缝测缝计的数量；p为一个无量纲数，取值范围为0～100％，用于表征灌区的可灌程度，p值越大说明该灌区可灌程度越好。

b)计算表征一个灌区进行灌浆引发其相连灌区横缝开合度突增可能性大小的q指标。为防止横缝受通水和灌浆的诱导造成多灌区横缝张开度突增的情况，整个灌区横缝可灌程度的检查还需对每条横缝进行各灌区张开情况的检查，主要是对要考查可灌程度的灌区以上灌区横缝的拉开情况进行检查。q指标计算公式为

$q=\frac{l}{l_0}\×100\%$

式中，l为要考查可灌程度的灌区以上三个灌区横缝皆已拉开的横缝条数；l₀要考查可灌程度的灌区的横缝总条数；q为一个无量纲数，取值范围为0～100％，用于表征灌区的可灌程度，q值越大说明进行通水检查时和接缝灌浆时发生多灌区横缝开合度突增的可能性越小，已灌灌区接缝质量遭到破坏的可能性也就越小，该灌区可灌程度越好。

c)根据p和q的值，结合工程的具体条件，可以明确整个灌区横缝的可灌程度，从而对灌浆时机的选择做出决策。

一般来说，若p和q取值为：p≥90％且q≥85％，则该灌区可灌性较好，灌浆施工顺畅，基本不会发生整条横缝突增的行为使得已灌灌区接缝质量遭到破坏的情况；若p和q取值为：p≥80％且q≥70％，则该灌区可灌性一般，勉强可进行灌浆，灌浆过程中可能有个别缝面会出现进浆困难等问题，存在发生整条横缝突增行为的可能性，但造成已灌灌区接缝质量遭到破坏的可能性不大；若p＜80％且q＜70％，该灌区可灌性较差，不宜立即进行灌浆，需对未满足灌浆要求的部位采取一定的措施使其满足条件后，再进行灌浆。

6)，已完成接缝灌浆的灌区灌浆质量是否遭到破坏的考查

因灌区4完成灌浆后，横缝3性态一般较为稳定，张开度变化都较为平缓，故可采用张开度日变化量对已灌灌区4横缝3的异常情况进行考查。当横缝张开度日变化量突然变大，较之前的张开度日变化量大很多，或者横缝后一天张开度日变化量与前一天的张开度日变化量的比值突然较大，则说明横缝发生异常变化，灌浆质量遭到了破坏，具体表达形式为： $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}\≤D_1$ 且 $\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}\≥D_2$ 和 $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}>D_1$ 且 $\frac{\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}}{\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}}\≥D_3.$

综上所述，若灌浆后的横缝的张开度满足以下两个条件中任一条件，说明横缝发生异常变化，灌浆质量遭到了破坏。

i) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}\≤D_1$ 且 $\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}\≥D_2$

ii) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}>D_1$ 且 $\frac{\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}}{\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}}\≥D_3$

其中，D₁为横缝发生异常变化前一刻张开度日变化量的阈值，具体取值由横缝拉开前一段时间内张开度日变化量的情况确定，根据工程数据统计分析和工程经验其取值范围一般为0～0.05mm/d；D₂为横缝发生异常变化前后张开度日变化量的阈值，具体取值由横缝发生异常变化前后张开度日变化量情况确定，根据工程数据统计分析和工程经验其取值一般大于0.04mm/d；D₃为横缝发生异常变化张开度日变化量比值的阈值，具体取值由横缝发生异常变化前后张开度日变化量情况确定，根据工程数据统计分析和工程经验其取值一般大于3。

Claims (2)

1.一种拱坝施工期横缝性态辨识方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)施工期间在横缝(3)处布设横缝测缝计(2)，以实时获得横缝(3)的张开度监测值，将采集的数据和各灌区灌浆时间的信息输入到数据处理单元，横缝测缝计(2)布设方式为：

a)竖直方向上，在各灌区(4)或间隔1～2个灌区布设横缝测缝计；

b)横河向方向上，在全部或至少一半横缝(3)处布设横缝测缝计；

c)顺河向方向上，在中游或上中下游横缝(3)处布设横缝测缝计；

2)预先设定横缝拉开前一刻张开度的阈值A₁、横缝拉开前后张开度变化量的阈值A₂、横缝拉开前一刻张开度日变化量的阈值A₃、横缝拉开前后张开度日变化量的阈值A₄、横缝张开度日变化量比值的阈值A₅、横缝张开度的阈值A₆、横缝接缝灌浆所要求的缝面最小张开度B₁、横缝发生异常变化前一刻张开度日变化量的阈值D₁、横缝发生异常变化前后张开度日变化量的阈值D₂和横缝发生异常变化张开度日变化量比值的阈值D₃；

3)判断横缝张开度监测值k是否满足条件：k_i+1≥0、k_i≤A₁和k_i+1-k_i≥A₂，如不满足，则说明测缝计埋设处的横缝(3)处于闭合阶段；若满足则继续进行判断，若满足以下三个条件中任一条件，说明测缝计埋设处的横缝(3)拉开，拉开日期为t_i+1：

i) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}\≤A_3,$ $\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}\≥A_4$ 和 $\frac{k_{i+2}-k_{i+1}}{t_{i+2}-t_{i+1}}\≥0$

ii) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}>A_3,$ $\frac{\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}}{\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}}\≥A_5$ 和 $\frac{k_{i+2}-k_{i+1}}{t_{i+2}-t_{i+1}}\≥0$

iii)k_i+1≥A₆

其中，t_i表示横缝测缝计始测日起第i日的监测日期；k_i表示横缝测缝计始测日起第i日的张开度监测值；i为正整数，且i≥2；

若以上三个条件i)、ii)和iii)皆不满足，则说明测缝计埋设处的横缝未拉开；

只要测缝计埋设处的横缝(3)未拉开，则需要不断地对测缝计埋设处的横缝(3)进行是否拉开的判断，直至横缝拉开为止；

4)确定横缝测缝计埋设处的横缝拉开后，判断横缝测缝计(2)的张开度监测值k是否满足条件：k_i≥B₁，若满足，则说明该横缝测缝计埋设处的横缝张开度已满足灌浆要求；

5)根据步骤3)和步骤4)的所得结果对布设有横缝测缝计(2)的未灌浆灌区的可灌程度进行考查，步骤如下：

a)计算表征灌区可灌程度的p指标，计算公式为

$p=\frac{m}{n}\×100\%$

式中，m为测缝计埋设处横缝已满足灌浆要求的测缝计数量；n为整个灌区所埋设横缝测缝计的数量；p为一个无量纲数，取值范围为0～100％，p值越大，表明灌区的可灌程度越高；

b)计算表征一个灌区进行灌浆引发其相连灌区横缝开合度发生突增可能性大小的q指标，计算公式为：

$q=\frac{l}{l_0}\×100\%$

式中，l为要考查可灌程度的灌区以上三个灌区横缝皆已拉开的横缝条数；l₀要考查可灌程度的灌区的横缝总条数；q为一个无量纲数，取值范围为0～100％，q值越大表明灌区的可灌程度越高；

6)确定灌区横缝(3)完成灌浆后，对已完成灌浆的灌区(4)进行灌浆质量是否遭到破坏的考查：

满足以下两个条件中任一条件，说明横缝发生异常变化，灌浆质量遭到了破坏：

i) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}\≤D_1$ 和 $\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}\≥D_2$

ii) $\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}>D_1$ 和 $\frac{\frac{k_{i+1}-k_i}{t_{i+1}-t_i}}{\frac{k_i-k_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}}\≥D_3.$

2.一种拱坝施工期横缝性态辨识方法，其特征在于：所述的灌浆指采用水泥浆进行的接缝灌浆。

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