CN108316251B - 一种采用超高韧性水泥基复合材料加固堆石坝混凝土面板的方法 - Google Patents
一种采用超高韧性水泥基复合材料加固堆石坝混凝土面板的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种采用超高韧性水泥基复合材料(简称：UHTCC)加固堆石坝混凝土面板的方法，建立混凝土面板堆石坝的三维有限元模型，计算混凝土面板在设计运行水位下的应力分布；在有限元模型计算的基础上，对于面板混凝土应变大于混凝土开裂应变的区域增加超高韧性水泥基复合材料加固层，通过不断调整加固层的范围和厚度，使面板混凝土计算的应变小于开裂应变，从而确定最优的超高韧性水泥基复合材料的加固范围和加固厚度；在计算确定面板的加固范围和加固层厚度后，采用喷射工艺对混凝土面板进行加固。本发明提出了一套先进的计算方法、采用超高韧性水泥基复合材料的喷射加固措施，能够显著提高复合面板的抗裂能力，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于水利工程、新型复合材料领域，涉及一种采用超高韧性水泥基复合材料加固堆石坝混凝土面板的方法。
背景技术
混凝土面板堆石坝是以堆石体为支承结构、并在其上游面设置混凝土面板作为防渗结构的一种坝型，混凝土面板堆石坝的建设和发展经历了一个多世纪的历程，自20世纪90年代开始，随着面板坝技术的发展，坝高不断增大，国内外相继设计、建造了一批坝高大于150m的高面板堆石坝工程。我国面板坝的数量占世界50％以上，高混凝土面板堆石坝数量占世界60％左右。在强地震区、深覆盖层、深厚风化层、岩溶等不良地质条件和在高陡边坡、河道拐弯等不良地形条件下建造了高混凝土面板堆石坝，坝体变形控制和混凝土面板防裂是超高面板堆石坝的关键技术问题。
随着坝高的增加，混凝土面板的长度也随之增加，堆石体应力水平、坝体及面板承受的水压力也越来越大。由于堆石体材料的高度非线性特征，其在高应力条件下的应力应变特性对坝体和面板的变形性态有着至关重要的影响，混凝土面板在高水压和复杂运行环境荷载下的应力规律，也关系到坝体防渗体系的安全。目前，面板堆石坝常采用普通混凝土作为面板材料，常规混凝土面板具有抗拉强度低、韧性差和开裂后裂缝宽度难以控制等缺点。国内外有大量面板堆石坝出现混凝土面板开裂，造成水库水渗漏，对钢筋混凝土面板的耐久性造成不利影响，威胁大坝安全。
为了提高混凝土面板的抗裂能力，有学者和工程技术人员提出了一些方法，例如：在面板混凝土中添加聚丙烯纤维、提高混凝土的强度等级、加强养护防止混凝土硬化过程中产生早期裂缝等，这些方法一般应用于新建堆石坝的混凝土面板防裂。在对已建成的堆石坝面板进行加固时，目前常采用聚合物砂浆或高强混凝土。但是，现有的这些方法都未改变混凝土材料的准脆性材料特性，即：混凝土的极限拉应变很小，一般只有0.0001。混凝土的准脆性特性造成混凝土面板和加固材料只能承受很小的拉应力和拉应变，因此，现有的混凝土面板抗裂措施对抗裂能力的提升很有限，未能解决混凝土面板堆石坝的面板开裂问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种采用超高韧性水泥基复合材料加固混凝土面板的方法；提出该复合面板应力应变的高精度数值模拟方法，准确地评估超高韧性水泥基复合材料对混凝土面板的应力改善状况；通过对本发明的应用，不会对原有面板的混凝土和配筋造成重大改变和破损，可以有效提高面板的极限拉伸应变值，增强面板的适应变形能力，并在混凝土一旦发生初裂以后，通过表层的超高韧性水泥基材料限制混凝土的进一步开裂，提高复合面板的抗裂能力，从而显著提高面板防渗性和耐久性。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种采用超高韧性水泥基复合材料加固堆石坝混凝土面板的方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)进行坝面测量放样，采用喷射法进行加固之前，先在面板上标识出拟喷射加强的范围。
步骤(2)对混凝土面板进行凿毛处理，凿毛时应不损伤原面板结构的受力钢筋。
步骤(3)采用高压水枪进行混凝土面板冲洗，清洗掉凿毛后的浮浆颗粒等。为保证界面粘结质量，采用界面剂进行打底处理。
步骤(4)在大坝混凝土面板上埋设控制喷射超高韧性水泥基复合材料厚度的标志。喷射时一方面要注意双手握稳喷枪，喷枪距离面板大约20-50cm，尽量使材料正面打在面板上；另一方面要注意喷射过程中不要在一个局部面上喷射过长时间，应该来回移动喷枪，喷射单层厚度在2cm以上，逐层均匀喷射直到到达预定的加固厚度。
步骤(5)混凝土面板上的接缝止水不进行喷射，在对邻近接缝止水处进行喷射施工，应前对接缝止水处进行临时覆盖保护。喷射超高韧性水泥基复合材料层与原混凝土面板之间的周边接缝位置做防渗处理。
步骤(6)喷射施工前应先试喷，以进一步地根据现场条件优化配比及施工方法，并测试喷射层与原混凝土面板的粘结强度，试喷效果符合要求后方可大面积施工。
步骤(7)超高韧性水泥基材料宜随拌随用，喷射的回弹物，不能收集起来放入下批配料中，以免影响喷射层的质量。
步骤(8)坝面喷射施工时，应确保混凝土面板干燥、清洁。避开雨季施工，大风妨碍喷射手进行工作时应暂停喷射施工。喷射施工完毕后，进行抹面平整，表面应平顺、密实、无脱落现象。
进一步的，步骤(1)中的拟喷射加固的范围和步骤(4)中的预定的加固厚度通过以下方法获得：
建立混凝土面板堆石坝的三维有限元模型，计算混凝土面板在设计运行水位下的应力分布；在该有限元模型中，堆石体采用时间硬化与Druker-Prager塑性耦合的流变模型来模拟，混凝土面板和超高韧性水泥基复合材料采用损伤塑性本构来模拟，采用界面单元模拟混凝土面板与堆石体之间的接触摩擦和粘结特性。
在三维有限元模型上，对于计算得到的面板混凝土拉、压应变大于混凝土开裂应变的区域，采用超高韧性水泥基复合材料进行加固。根据水库的运行调度规则，水库水位会有一定的变动幅度范围，在该水位变动范围内的混凝土面板上，也采用超高韧性水泥基复合材料进行加固。对增加超高韧性水泥基复合材料后的三维有限元模型进行计算，通过不断调整加固层的范围和厚度，降低面板的拉、压应力，使面板混凝土计算的拉、压应变小于开裂应变。从而确定最优的超高韧性水泥基复合材料的加固范围和加固厚度。
进一步的，考虑到环境载荷和施工环节可能存在的不确定性因素，在实施中选取面板抗裂加固的安全系数k(大于1)，三维有限元计算的面板混凝土拉、压应变为e，对于e*k大于混凝土面板开裂应变的区域，进行加固，这样使面板加固工程具有一定的安全储备。
进一步的，所述超高韧性水泥基复合材料的拌合物组成成分包括：普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、水、精细骨料、粉煤灰、硅灰、偏高岭土、可再分散乳胶粉、改性膨润土、羟丙基甲基纤维素、聚羧酸系减水剂和聚乙烯醇纤维；拌合物的组分质量比为普通硅酸盐水泥：铝酸盐水泥：水：精细骨料：粉煤灰：硅灰：偏高岭土：可再分散乳胶粉：改性膨润土：羟丙基甲基纤维素：聚羧酸系减水剂＝(10％～15％)：(0.1％～1％)：(15％～20％)：(10％～15％)：(20％～55％)：(0.5％～1.5％)：(1％～2.5％)：(1.5％～2.5％)：(0.02％～0.15％)：(0.01％～0.05％)：(0.05％～0.2％),所述精细骨料的最大粒径不大于0.5mm；所述聚乙烯醇纤维长度为8～12mm,聚乙烯醇纤维掺量为超高韧性水泥基复合材料材料总体积的1.0～2.5％。超高韧性水泥基复合材料具有1-3％以上的极限拉应变，并具有明显的准应变硬化特征，显著不同于常规混凝土的准脆性特征。适中的纤维掺量不但利于控制成本，也有利于工程技术人员在此基础上利用外加剂技术来调整材料的组成，生产具有不同工作性能的复合材料。
以上未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
本发明的优势与有益效果如下：在普通混凝土面板的表面，采用喷射工艺，加固一定厚度的超高韧性水泥基复合材料，形成由超高韧性水泥基复合材料和混凝土构成的复合面板，可以有效提高面板的极限拉伸应变值，增强面板的适应变形能力，并在普通混凝土面板一旦发生开裂后，通过表层的超高韧性水泥基复合材料限制混凝土的进一步开裂，提高复合面板的抗裂能力。喷射超高韧性水泥基复合材料具有较高的韧性和优良的抗裂、抗冻、抗渗、保温等性能，喷射施工与常规混凝土浇筑工艺相比，工效更高、喷射加固层质量更好。喷射超高韧性水泥基复合材料与常规混凝土之间变形协调、结合良好，喷射超高韧性水泥基复合材料显著提高混凝土面板的抗裂和极限承载能力、韧性和疲劳寿命，对于防止构件开裂，提高结构耐久性具有显著效果。
对于堆石体采用时间硬化与Druker-Prager塑性耦合的流变模型来模拟，这样能够准确地计算评价堆石体在长期服役过程中的沉降变形，进一步地能够提高对面板应力应变计算的准确性；对于混凝土面板和超高韧性水泥基复合材料采用损伤塑性本构来模拟，能够准确地计算得到混凝土面板和超高韧性水泥基复合材料的应变，进一步地能够准确地评价开裂风险和抗裂效果；混凝土面板与堆石体之间采用界面单元来模拟，能够准确模拟不同材料之间的接触摩擦和粘结特性。通过考虑上述各计算要点，在计算和优化喷射加固的范围和厚度时，三维有限元计算结果更准确。
总之，喷射超高韧性水泥基复合材料为结构抗裂防渗加固提供了新技术手段。
附图说明
图1为堆石坝剖面图；
图2为加固前后的混凝土面板挠度对比图；
图3为加固前后的面板拉应力对比图；
图中：1-混凝土面板，2-趾板，3-垫层区，4-过渡层区，5-主堆石区，6-下游堆石区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
拦河坝为钢筋砼面板堆石坝，河谷宽约140m～150m，河床段地面高程50m～55m。混凝土面板坝为2级建筑物，按200年一遇洪水设计，5000年一遇洪水校核。坝顶高程106.00m，最大坝高64.00m，坝顶长度290.00m，坝顶宽度8.00m，上下游坝坡均为1∶1.3。下游坝坡分别在高程85.00m和65.00m处设置马道，马道宽2.00m。上游坡在高程102.00m以上设L形直立挡墙至防浪墙顶，墙高5.10m。混凝土面板厚40cm，混凝土强度等级为C25W10F100。首先建立该堆石坝的三维有限元模型，计算模型包括：混凝土面板1、趾板2、垫层区3、过渡层区4、主堆石区5、下游堆石区6。根据坝址地质勘测报告，坝址区基岩为坚硬岩类，坝基岩体刚度远远大于堆石体的刚度，基岩的变形相对于坝体变形可以忽略，因此本次有限元计算分析模型不包括基岩。有限元计算模型的坝体堆石体底部和趾板底部取固定约束，混凝土面板分块之间采用摩擦接触模拟，混凝土面板和垫层之间采用粘接滑移模拟。
堆石坝体采用按照时间硬化与Druker-Prager塑性耦合的流变模型进行模拟，混凝土面板采用损伤塑性本构来计算模拟，混凝土的弹性模量取28GPa，泊松比取0.17。面板分块之间、面板与趾板之间的摩擦系数为0.4，混凝土面板和垫层之间粘接力取20kPa，摩擦系数取0.2，混凝土面板的线膨胀系数取10-5。模型计算时间为1000d。计算中选取设计水位作为水荷载计算，此时上游水位高程为102.88m，下游水位高程为60.06m，见图1。
利用上述三维有限元模型，计算得到面板未加固前在设计水位下坝体的沉降、混凝土面板的位移和应力。详见图2和图3。根据计算得到的面板应力，从面板底部开始、沿面板坡向长度25m范围内混凝土的拉应力较大，在运行中混凝土面板存在开裂风险。对于该高拉应力范围，采用厚度为5cm的超高韧性水泥基复合材料进行加固；另外，本工程水库水位在通常情况下的变动范围为10m，故对75-85m高程范围的面板也采用超高韧性水泥基复合材料进行加固。建立考虑超高韧性水泥基复合材料加固层的三维有限元模型，超高韧性水泥基复合材料采用损伤塑性本构来模拟，弹性模量为17.1GPa，泊松比为0.255，其他计算参数与未加固前的相同。
对比面板加固前后的应力结果可见，加固前和加固后面板的最大主应力分布位置大致相同，都是在河床位置面板底部附近、以及两岸岸坡附近产生应力集中，面板上部的应力水平较小。未加固时，普通混凝土面板最大拉应力约2.3MPa；采用超高韧性水泥基复合材料UHTCC加固后，面板的最大拉应力约2.04MPa，加固后面板的高应力范围、顺坡向应变等都有所减小。
因此通过有限元计算，可以确定本工程加固的范围为：大坝周边缝以上、沿面板方向上的25m范围进行加固，对75-85m高程范围的面板也采用超高韧性水泥基复合材料进行加固，加固层厚度为5cm。所选用超高韧性水泥基复合材料的主要技术指标取：28d抗压强度≥20MPa，抗拉强度≥2MPa，拉伸应变≥1％。
在计算确定面板的加固范围和加固层厚度后，混凝土面板加固的技术要求如下：
(1)进行坝面测量放样，采用喷射法进行加固之前，先在面板上标识出拟喷射加强的范围和边界，本例中标识出大坝周边缝以上、沿面板方向上的25m的加固范围。
(2)对加固范围的混凝土面板进行凿毛处理，凿毛时应不损伤原面板结构的受力钢筋。
(3)采用高压水枪进行混凝土面板冲洗，清洗掉凿毛后的浮浆颗粒等。为保证界面粘结质量，采用界面剂进行打底处理。
(4)在混凝土面板上埋设控制喷射超高韧性水泥基复合材料厚度的标志。喷射时一方面要注意双手握稳喷枪，喷枪距离面板大约20-50cm，尽量使材料正面打在面板上；另一方面要注意喷射过程中不要在一个局部面上喷射过长时间，应该来回移动喷枪，喷射单层厚度在2cm以上，逐层均匀喷射直到到达预定的加固厚度。
(5)混凝土面板上的接缝止水不进行喷射，在对邻近接缝止水处进行喷射施工，应前对接缝止水处进行临时覆盖保护。喷射超高韧性水泥基复合材料层与原混凝土面板之间的周边接缝位置做防渗处理。
(6)喷射施工前应先试喷，以进一步地根据现场条件优化配比及施工方法，并测试喷射层与原混凝土面板的粘结强度，试喷效果符合要求后方可大面积施工。
(7)超高韧性水泥基材料宜随拌随用，喷射的回弹物，不能收集起来放入下批配料中，以免影响喷射层的质量。
(8)坝面喷射施工时，应确保混凝土面板干燥、清洁。避开雨季施工，大风妨碍喷射手进行工作时应暂停喷射施工。喷射施工完毕后，进行抹面平整，表面应平顺、密实、无脱落现象。
通过实施面板加固，所取得的显著效益是：加固后面板的拉应力有所减小。在普通混凝土面板的表面，采用喷射工艺，加固一定厚度的超高韧性水泥基复合材料，形成由超高韧性水泥基复合材料和混凝土构成的复合面板，可以有效提高面板的极限拉伸应变值，增强面板的适应变形能力，并在普通混凝土面板一旦发生开裂后，通过表层的超高韧性水泥基复合材料限制混凝土的进一步开裂，提高复合面板的抗裂能力。喷射超高韧性水泥基复合材料具有较高的韧性和优良的抗裂、抗冻、抗渗、保温等性能，喷射施工与常规混凝土浇筑工艺相比，工效更高、喷射加固层质量更好。超高韧性水泥基复合材料与常规混凝土之间变形协调、结合良好，喷射超高韧性水泥基复合材料显著提高混凝土面板的抗裂和极限承载能力、韧性和疲劳寿命，对于防止构件开裂，提高结构耐久性具有显著效果。
对于堆石体采用时间硬化与Druker-Prager塑性耦合的流变模型来模拟，这样能够准确地计算评价堆石体在长期服役过程中的沉降变形，进一步地能够提高对面板应力应变计算的准确性；对于混凝土面板和超高韧性水泥基复合材料采用损伤塑性本构来模拟，能够准确地计算得到混凝土面板和超高韧性水泥基复合材料的应变，进一步地能够准确地评价开裂风险和抗裂效果；混凝土面板与堆石体之间采用界面单元来模拟，能够准确模拟不同材料之间的接触摩擦和粘结特性。通过考虑上述各计算要点，在计算和优化喷射加固的范围和厚度时，三维有限元计算结果更准确。
总之，喷射超高韧性水泥基复合材料为结构抗裂防渗加固提供了新技术手段。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种采用超高韧性水泥基复合材料加固堆石坝混凝土面板的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤（1）进行坝面测量放样，采用喷射法进行加固之前，先在面板上标识出拟喷射加固的范围；
步骤（2）对混凝土面板进行凿毛处理，凿毛时应不损伤原面板结构的受力钢筋；
步骤（3）采用高压水枪进行混凝土面板冲洗，清洗掉凿毛后的浮浆颗粒，为保证界面粘结质量，采用界面剂进行打底处理；
步骤（4）在大坝混凝土面板上埋设控制喷射超高韧性水泥基复合材料厚度的标志，喷射时，喷枪距离面板在20-50cm，尽量使材料正面打在面板上；另一方面采用来回移动喷枪，喷射单层厚度在2cm以上，逐层均匀喷射直到到达预定的加固厚度；
步骤（5）混凝土面板上的接缝止水不进行喷射，在对邻近接缝止水处进行喷射施工时，应先对接缝止水处进行临时覆盖保护；喷射超高韧性水泥基复合材料层与原混凝土面板之间的周边接缝位置做防渗处理；
步骤（6）喷射施工前应先试喷，并测试喷射层与原混凝土面板的粘结强度，试喷效果符合要求后方可大面积施工；
步骤（7）超高韧性水泥基材料宜随拌随用，喷射的回弹物，不能收集起来放入下批配料中，以免影响喷射层的质量；
步骤（8）坝面喷射施工时，应确保混凝土面板干燥、清洁；避开雨季施工，大风妨碍喷射手进行工作时应暂停喷射施工；喷射施工完毕后，进行抹面平整，表面应平顺、密实、无脱落现象；
其中，步骤（1）中的拟喷射加固的范围和步骤（4）中的预定的加固厚度通过以下方法获得：
（1）建立混凝土面板堆石坝的三维有限元模型，计算混凝土面板在设计运行水位下的应力和应变分布；
（2）在三维有限元模型上，对于面板混凝土拉应变和压应变大于混凝土开裂应变的区域，增加超高韧性水泥基复合材料加固层；
（3）根据水库的运行调度规则，水库水位会有一定的变动幅度范围，在该水位变动范围内的混凝土面板上，也采用超高韧性水泥基复合材料进行加固；
（4）对增加超高韧性水泥基复合材料后的三维有限元模型进行计算，通过不断调整加固层的范围和厚度，降低面板的拉、压应力，使面板混凝土计算的拉、压应变小于开裂应变，从而确定最优的超高韧性水泥基复合材料的加固范围和加固厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的三维有限元模型中，堆石体采用时间硬化与Druker-Prager塑性耦合的流变模型来模拟，混凝土面板和超高韧性水泥基复合材料采用损伤塑性本构来模拟，采用界面单元模拟混凝土面板与堆石体之间的接触摩擦和粘结特性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，考虑到环境载荷和施工环节可能存在的不确定性因素，在实施中选取面板抗裂加固的安全系数k，k大于1，三维有限元计算的面板混凝土拉应变或压应变为e，对于e*k大于混凝土面板开裂应变的区域，进行加固，这样使面板加固工程具有一定的安全储备。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超高韧性水泥基复合材料的拌合物组成成分包括：普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、水、精细骨料、粉煤灰、硅灰、偏高岭土、可再分散乳胶粉、改性膨润土、羟丙基甲基纤维素、聚羧酸系减水剂和聚乙烯醇纤维；拌合物的组分质量比为普通硅酸盐水泥：铝酸盐水泥：水：精细骨料：粉煤灰：硅灰：偏高岭土：可再分散乳胶粉：改性膨润土：羟丙基甲基纤维素：聚羧酸系减水剂=(10%~15%)：(0.1%~1%)：(15%~20%)：(10%~15%)：(20%~55%)：(0.5%~1.5%)：(1%~2.5%)：(1.5%~2.5%)：(0.02%~0.15%)：(0.01%~0.05%)：(0.05%~0.2%),所述精细骨料的最大粒径不大于0.5mm；所述聚乙烯醇纤维长度为8~12mm,聚乙烯醇纤维掺量为超高韧性水泥基复合材料材料总体积的1.0~2.5％。
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