CN107180011A - 一种混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝缝宽估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝缝宽估算方法，它通过建立局部笛卡尔坐标系及相关基本假定，并利用坝体‑坝基系统三维有限元垫层料上游面计算成果，得到压性垂直缝在某高程位置的缝宽由三部分决定：两侧面板相对位移引起的变位、两侧面板挠度引起的变位以及弹性填料受压压紧厚度；压性垂直缝缝宽取该缝不同高程计算得到的最大值，从而建立一套较为完整的面板堆石坝压性垂直缝缝宽的计算公式，解决了面板堆石坝压性垂直缝缝宽的系统计算问题。

Description

一种混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝缝宽估算方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝缝宽估算方法，属于水利水电工程筑坝技术领域。

背景技术

国内混凝土面板堆石坝安全运行以来，部分工程发生了面板挤压破坏的情况。如天生桥一级面板堆石坝面板挤压破坏、水布垭面板堆石坝面板挤压破坏、莱索托Mohale面板堆石坝面板挤压破坏、巴西Barra Grande面板堆石坝面板挤压破坏等。已有研究和工程实践表明，混凝土面板堆石坝面板挤压破坏主要与坝体变形、河谷形状、坝高、面板厚度、面板分缝和混凝土材料等均有一定的相关性。根据对面板挤压破坏机理的研究，造成混凝土面板坝面板挤压破损的宏观因素是过大的堆石体变形，而导致面板发生挤压破坏的直接原因是面板沿纵缝的转动接触及垂直缝方向的平动挤压，该变形趋势均可在纵缝两侧面板表面部位引发严重的应力集中。

因此，解决面板挤压破坏最有效的途径是设置一定缝宽的挤压垂直缝，并在缝内嵌填了可压缩变形的弹性材料，依靠足够宽度的垂直挤压缝缝宽抵消或吸收面板间产生的应变能。然而目前，挤压缝缝宽的设置主要依赖于工程经验，缝宽一般设置为2mm～8mm，未见较为系统的计算方法。

发明内容

本发明的目的是推导一套系统的面板垂直挤压缝缝宽计算方法，以期解决面板产生挤压破坏，从而改善面板的受力状况，提高了面板的安全性，增加了面板的防渗安全性。

本发明是通过如下技术方案予以实现的：

首先建立局部笛卡尔直角坐标系，其中横河向为X轴，左岸指向右岸为其正方向；垂直面板方向(即面板法向方向)为Y轴，指向坝内为其正方向；根据右手定则确定Z轴及其正方向。

计算中，由垫层的上游面变形推求面板压性垂直缝的缝宽。建立如下基本假定：

1)考虑面板与垫层料的协调变形；

2)由于面板刚度较垫层料、过渡料及堆石料等大数个量级，假定面板为刚性体；

3)由于面板在Z方向尺寸远大于X向及Y向尺寸，计算中不考虑面板沿Z方向的变形；

4)由于面板厚度远小于其他两个方向尺寸，且较薄，计算中不考虑温度荷载。

由分析可知，第i条压性垂直缝在z位置的缝宽：

δ_z,i＝δ_r+δ_d+δ_e (式1)

式中，δ_z,i——第i条压性垂直缝在z位置的缝宽；

δ_r——第i条压性垂直缝在z位置的两侧面板X向相对位移(Relative displacement)引起的变位；

δ_d——第i条压性垂直缝在z位置的两侧面板挠度(Deflection)引起的变位；

δ_e——第i条压性垂直缝在z位置弹性填料(Elastic filler)受压压紧后厚度，由材料性质决定。

两侧面板相对位移引起的变位的计算方法如下：

左侧面板X向位移表达式为

式中，x_i-1——第i-1条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置X向位移；

x_i——第i条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置X向位移。

右侧面板X向位移表达式为

式中，x_i+1——第i+1条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置X向位移。

则δ_r计算公式为：

(式2)

若δ_r>0，则相对位移表现为挤压状态；若δ_r≤0，则相对位移表现为张开状态。

两侧面板挠度引起的变位δ_d的计算公式为

(式3)

式中，y_i-1——第i-1条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置Y向位移；

y_i——第i条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置Y向位移；

y_i+1——第i+1条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置Y向位移；

L_i-1——第i-1块面板宽；

L_i——第i块面板宽；

d_z——高程z位置面板厚度。

压性垂直缝缝宽取该缝不同高程计算得到的最大值，由式1～式3可得

(式4)

式4给出了第i条压性垂直缝在z位置的缝宽，第i条压性垂直缝缝宽应取该缝不同高程计算得到的最大值，即

(式5)

式中，δ_i——第i条压性垂直缝缝宽；

——第i条压性垂直缝不同高程位置计算缝宽；

由式5可计算出每条压性垂直缝的缝宽，则压性垂直缝总缝宽为

(式6)。

本发明的技术效果是：本发明基于面板与垫层料协调变形、面板为刚性体及局部坐标系下不考虑面板Z向变形等相关假定，利用坝体-坝基系统三维有限元垫层料上游面位移的计算成果，建立了一套面板堆石坝压性垂直缝缝宽估算的计算公式，解决了面板堆石坝压性垂直缝缝宽的系统计算问题。

附图说明

图1为面板建立的局部笛卡尔直角坐标系(面板上游立视图)；

图2为面板建立的局部笛卡尔直角坐标系(图1中1-1剖面图)；

图3为δ_r计算示意图；

图4为δ_d计算示意图(图1中2-2剖面)；

图5为大坝三维有限元网格模型示意图；

图6为压性垂直缝缝宽随坝高变化曲线示意图，图中：①—0-60垂直缝；②—0-30垂直缝；③—0-0垂直缝；④—0+30垂直缝；⑤—0+60垂直缝；⑥—0+90垂直缝；⑦—0+120垂直缝；⑧—0+150垂直缝；⑨—0+180垂直缝；

图7为压性垂直缝区域缝宽估算曲线示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明按照以下步骤实施：

(1)建立局部笛卡尔直角坐标系如图1、图2所示，其中横河向为X轴，左岸指向右岸为其正方向；垂直面板方向(即面板法向方向)为Y轴，指向坝内为其正方向；根据右手定则确定Z轴及其正方向。

计算中，由垫层的上游面变形推求面板压性垂直缝的缝宽。建立如下基本假定：

1)考虑面板与垫层料的协调变形；

2)由于面板刚度较垫层料、过渡料及堆石料等大数个量级，假定面板为刚性体；

3)由于面板在Z方向尺寸远大于X向及Y向尺寸，计算中不考虑面板沿Z方向的变形；

4)由于面板厚度远小于其他两个方向尺寸，且较薄，计算中不考虑温度荷载。

由分析知，第i条压性垂直缝在z位置的缝宽

δ_z,i＝δ_r+δ_d+δ_e (式1)

式中，δ_z,i——第i条压性垂直缝在z位置的缝宽；

δ_r——第i条压性垂直缝在z位置的两侧面板X向相对位移(Relative displacement)引起的变位；

δ_d——第i条压性垂直缝在z位置的两侧面板挠度(Deflection)引起的变位；

δ_e——第i条压性垂直缝在z位置弹性填料(Elastic filler)受压压紧后厚度，由材料性质决定。

(2)计算δ_r示意如图3所示，左侧面板X向位移表达式为

式中，x_i-1——第i-1条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置X向位移；

x_i——第i条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置X向位移。

右侧面板X向位移表达式为

式中，x_i+1——第i+1条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置X向位移。

综上所述，δ_r计算公式为：

(式2)

若δ_r>0，则相对位移表现为挤压状态；若δ_r≤0，则相对位移表现为张开状态。

(3)计算δ_d示意如图4所示。δ_d的计算公式为

(式3)

式中，y_i-1——第i-1条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置Y向位移；

y_i——第i条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置Y向位移；

y_i+1——第i+1条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置Y向位移；

L_i-1——第i-1块面板宽；

L_i——第i块面板宽；

d_z——高程z位置面板厚度。

(4)由式1～式3可得

(式4)

式4给出了第i条压性垂直缝在z位置的缝宽，第i条压性垂直缝缝宽应取该缝不同高程计算得到的最大值，即

(式5)

式中，δ_i——第i条压性垂直缝缝宽；

——第i条压性垂直缝不同高程位置计算缝宽。

由式5可计算出每条压性垂直缝的缝宽，其大小并不一定是相同，因此，本专利提出了一种混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝的计算方法。

压性垂直缝总缝宽为

(式6)。

实施例1：

某混凝土面板堆石坝坝高260m，坝顶宽18m，坝顶长726.0m，上游坝坡1:1.5，下游坝坡1:1.55。

建立工程坝体-坝基三维有限元网格模型(可不建面板)，如图5所示，水荷载直接作用在垫层料上游面，采用邓肯-张E-B模型，开展坝体三维非线性有限元计算。

提取垫层料上游面位移计算成果，采用本专利提出的估算方法，求取每条压性垂直缝的δ_r及δ_d。

根据工程压性垂直缝采用的弹性填料确定δ_e。

根据求取的δ_r、δ_d及确定的δ_e，计算各位置压性垂直缝所需的缝宽。

压性垂直缝缝宽随坝高变化曲线和压性垂直缝区域缝宽估算曲线分别如图6和图7所示。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝缝宽估算方法，其特征在于：通过建立局部笛卡尔坐标系及相关基本假定，并利用坝体-坝基系统三维有限元垫层料上游面计算成果，得到压性垂直缝在某高程位置的缝宽由三部分决定：两侧面板相对位移引起的变位、两侧面板挠度引起的变位以及弹性填料受压压紧厚度；压性垂直缝缝宽取该缝不同高程计算得到的最大值，从而建立一套较为完整的面板堆石坝压性垂直缝缝宽的计算公式。

2.根据权利要求1所述的混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝缝宽估算方法，其特征在于：所述局部笛卡尔坐标系中，横河向为X轴，左岸指向右岸为其正方向；垂直面板方向为Y轴，指向坝内为其正方向；根据右手定则确定Z轴及其正方向。

3.根据权利要求2所述的混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝缝宽估算方法，其特征在于：所述相关基本假定如下：（1）考虑面板与垫层料的协调变形；（2）假定面板为刚性体；（3）计算中不考虑面板沿顺坡向的变形；（4）计算中不考虑温度荷载。

4.根据权利要求3所述的混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝缝宽估算方法，其特征在于：压性垂直缝在某高程位置的缝宽的计算方法如下：

第i条压性垂直缝在z位置的缝宽：

（式1）

式中，——第i条压性垂直缝在z位置的缝宽；

——第i条压性垂直缝在z位置的两侧面板X向相对位移引起的变位；

——第i条压性垂直缝在z位置的两侧面板挠度引起的变位；

——第i条压性垂直缝在z位置弹性填料受压压紧后厚度，由材料性质决定。

5.根据权利要求4所述的混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝缝宽估算方法，其特征在于：所述的两侧面板相对位移引起的变位的计算方法如下：

左侧面板X向位移表达式为

式中，——第条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置X向位移；

——第i条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置X向位移；

右侧面板X向位移表达式为

式中，——第条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置X向位移；

则计算公式为：

（式2）

若>0，则相对位移表现为挤压状态；若≤0，则相对位移表现为张开状态。

6.根据权利要求5所述的混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝缝宽估算方法，其特征在于：

两侧面板挠度引起的变位的计算公式为

（式3）

式中，——第条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置Y向位移；

——第i条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置Y向位移；

——第条垂直缝中心线对应垫层料上游面位置Y向位移；

——第块面板宽；

——第i块面板宽；

——高程z位置面板厚度。

7.根据权利要求6所述的混凝土面板堆石坝非等宽压性垂直缝缝宽估算方法，其特征在于：压性垂直缝缝宽取该缝不同高程计算得到的最大值，由式1～式3可得

（式4）

式4给出了第i条压性垂直缝在z位置的缝宽，第i条压性垂直缝缝宽应取该缝不同高程计算得到的最大值，即

（式5）

式中，——第条压性垂直缝缝宽；

——第i条压性垂直缝不同高程位置计算缝宽；

由式5可计算出每条压性垂直缝的缝宽，则压性垂直缝总缝宽为

（式6）。