CN108536978A - 一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法 - Google Patents

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杨宁
杨宗立
赵泽湖
李海枫
杨波
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Abstract

本发明涉及一种防止混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法，包括：确定廊道周边混凝土允许抗拉强度、允许抗压强度以及允许强度随时间变化的过程；确定大坝廊道周边部位应力分布以及随时间变化的规律；确定廊道锚索布置位置、布置间距；确定锚索形式及锚固形式；确定所需最大预应力量值；确定最终预应力锚索不同时刻预应力值和张拉过程。本发明通过布置廊道预应力锚索，防止廊道混凝土的开裂，改善了大坝工作性态。

Description

一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法
技术领域
本发明属于混凝土坝建设技术领域，具体说，涉及一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法。
背景技术
混凝土坝，是最重要的坝型之一，在世界范围内广泛分布，数量多，且一般坝高较高。混凝土坝在保障防洪安全、供水安全、粮食安全、能源安全和生态安全方面发挥了重要作用，确保水库水电站大坝安全对于国家和人民群众极端重要。
在混凝土坝中，尤其是高坝中，为进行基础灌浆、排水、安全监测、检查维修、运行操作和坝内交通等，一般会在大坝内部不同高度处设置廊道，如基础灌浆廊道、排水廊道和交通廊道等。目前国内高混凝土重力坝和拱坝中均布置了数量不等的坝内廊道。
大坝坝体高度大，竖向压力很大，同时承受巨大的上游水压力，应力水平高，坝内廊道应力水平也很高，一旦应力水平超过混凝土抗拉强度，混凝土就会开裂，尤其是廊道顶拱部位。已建及在建高坝中廊道顶拱出现裂缝的现象十分普遍，尤其是位于大坝中下部高程的廊道。这种廊道顶拱裂缝的主要成因是自重压力过大，从而使得开孔部位顶部应力超标。
尽管廊道内顶拱纵向裂缝一般对结构安全影响不大，但仍会对结构局部应力造成影响并减小内部钢筋和混凝土材料耐久性，为防止裂缝向深处发展以及相互贯通，需要进行化学灌浆处理，从而造成时间和经济上的浪费，因此采取一定措施和方法防止廊道开裂是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对高混凝土坝坝内廊道普遍存在顶拱裂缝的问题，提出一种通过减小廊道顶拱横向应力，改善大坝内部局部应力状态，从而防止或减少混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法。
具体技术方案如下：
一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法，包括如下步骤：
步骤1，根据大坝混凝土浇筑情况，确定允许抗拉强度、允许抗压强度以及允许强度随时间变化的过程；
步骤2，根据大坝坝体的基础数据采用有限元分析方法或理论分析方法获取大坝廊道部位应力分布以及应力分布随时间变化的规律；其中，所述大坝坝体的基础数据包括：结构特征、浇筑过程、温控措施、配筋情况、拱坝横缝封拱过程、混凝土及周边环境温度变化过程、库水水位上升过程以及线胀系数、弹性模量、绝热温升、徐变、自生体积变形参数；
步骤3，通过比较廊道周边应力与允许抗拉强度的大小，获取廊道拱顶混凝土拉应力超出允许抗拉强度的范围和深度；
步骤4，根据获取的廊道顶拱混凝土最大拉应力以及超出允许抗拉强度的范围和深度，初步确定预应力锚索布置的位置，包括距廊道顶拱表面的距离、预应力锚索间距、锚索固定端位置；
步骤5，根据初步确定的预应力锚索布置位置情况，确定预应力锚索形式、锚固形式，估算最大预应力；
步骤6，根据确定的预应力锚索布置、形式和最大预应力，初步确定预应力张拉次序，采用有限元仿真方法，计算得到施加预应力后的廊道顶拱应力分布和变化情况；
步骤7，比较预应力施加后廊道周边应力与允许抗拉强度的大小，确定是否有超过混凝土允许抗拉强度的区域，若是，则根据步骤4～5对预应力最大量值、布置位置和张拉次序进行调整；
步骤8，重复步骤4～7直至廊道顶拱及两侧边墙应力在允许抗拉强度范围内，确定最终预应力锚索布置位置、锚索形式、锚固形式、最大量值和张拉次序。
进一步地，步骤1中，允许抗拉强度包括混凝土早龄期允许抗拉强度和长期允许抗拉强度；其中，混凝土早龄期允许抗拉强度为随时间的变化量，龄期在180天以后用长期允许抗拉强度，混凝土早龄期抗拉强度公式采用：
Rt＝R0τ/(α+τ)；
其中，Rt为早龄期强度，R0为长期允许抗拉强度，τ为以天计的龄期，α为系数；
长期允许抗压强度Rc采用公式下述确定：
Rt＝0.232Rc 2/3。
进一步地，当步骤2中大坝坝体的基础数据发生变动时，重新获取大坝廊道部位应力分布以及应力分布随时间变化的规律。
进一步地，步骤4中，预应力锚索布置位置，距廊道顶拱表面的距离根据廊道顶拱受拉区高度h确定，预应力锚索布置位置在距廊道顶拱表面h/3～h/2之间任意位置。
进一步地，步骤4中，预应力锚索间距，在0.5m～1.2m之间。
进一步地，步骤5中，预应力锚索形式确定中，锚索中钢材强度的利用系数在0.6～0.7之间。
进一步地，预应力张拉次序包括每根锚索张拉时间、张拉量值和不同部位锚索之间的张拉次序，根据有限元仿真分析确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过在廊道布置预应力锚索，调整了高混凝土坝廊道顶拱的应力分布规律，减小了超标拉应力的范围和量值，能够防止或减少廊道混凝土的开裂，改善大坝的工作性态。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明中重力坝廊道的布置示意图；
图3是本发明中拱坝廊道的布置示意图；
图4是本发明一实施例中拱坝混凝土强度变化示意图；
图5是本发明一实施例中拱坝初始应力示意图；
图6是本发明一实施例中拱坝廊道局部应力示意图；
图7是本发明一实施例中拱坝廊道所在仓温度变化示意图；
图8是本发明一实施例中拱坝廊道拱顶应力变化示意图；
图9是本发明一实施例中拱坝廊道锚索布置剖面示意图；
图10是本发明一实施例中拱坝廊道锚索布置三维示意图；
图11是本发明一实施例中拱坝廊道锚索张拉应力变化示意图；
图12是本发明一实施例中施加预应力后拱顶应力变化过程线图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
参图1至图3所示，图1是本发明的流程图；图2是本发明中重力坝廊道的布置示意图，图2中21为坝体，22为廊道；图3是本发明中拱坝廊道的布置示意图，图3中31为坝体，32为廊道。
本实施例提供了一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法，包括如下步骤：
步骤1，根据大坝混凝土浇筑情况，确定允许抗拉强度、允许抗压强度以及允许强度随时间变化的过程。
步骤2，根据大坝坝体的基础数据采用有限元分析方法或理论分析方法获取大坝廊道部位应力分布以及应力分布随时间变化的规律；其中，大坝坝体的基础数据包括：结构特征、浇筑过程、温控措施、配筋情况、拱坝横缝封拱过程、混凝土及周边环境温度变化过程、库水水位上升过程以及线胀系数、弹性模量、绝热温升、徐变、自生体积变形参数。
步骤3，通过比较廊道周边应力与允许抗拉强度的大小，获取廊道拱顶混凝土拉应力超出允许抗拉强度的范围和深度。计算廊道周边应力为弹性应力，不考虑损伤、屈服等非线性变化。
步骤4，根据获取的廊道顶拱混凝土最大拉应力以及超出允许抗拉强度的范围和深度，初步确定预应力锚索布置的位置，包括距顶拱表面的距离、锚索间距、锚索固定端位置。
步骤5，根据初步确定的预应力锚索布置位置情况，确定预应力锚索形式、锚固形式，估算最大预应力。
步骤6，根据确定的预应力锚索布置位置、锚固形式和最大预应力，初步确定预应力张拉过程，采用有限元仿真方法，计算得到施加预应力后的廊道顶拱应力分布和变化情况。
步骤7，比较预应力施加后廊道周边应力与允许抗拉强度的大小，确定是否有超过混凝土允许抗拉强度的区域，若是，则根据步骤4～5对预应力最大量值、布置位置和张拉次序进行调整；
步骤8，重复步骤4～7直至廊道周边应力在允许抗拉强度范围内，确定最终预应力锚索布置位置、锚索形式、锚固形式、最大量值和张拉次序。
本实施例提供的防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法，通过布置廊道预应力锚索，调整了高混凝土坝廊道顶拱应力的分布规律，减小了超标拉应力的范围，能够防止或减少廊道混凝土的开裂，改善大坝工作性态。
在本实施例中，步骤1中允许抗拉强度包括混凝土早龄期允许抗拉、抗压强度和长期允许抗拉、抗压强度；其中，混凝土早龄期允许抗拉强度为随时间的变化量，龄期在180天以后用长期允许抗拉强度，混凝土早龄期抗拉强度公式采用：
Rt＝R0τ/(α+τ)；
其中Rt为早龄期强度，R0为长期允许抗拉强度，τ为以天计的龄期，α为系数，采用混凝土抗拉试验数据拟合得到。
长期允许抗压强度Rc可采用如下公式确定：
Rt＝0.232Rc 2/3。
在本实施例中，当步骤2中大坝坝体的基础数据发生变动时，重新获取大坝廊道部位应力分布以及应力分布随时间变化的规律。随着大坝设计和施工过程的进行，结构特征、配筋情况、浇筑过程、拱坝横缝封拱过程(重力坝纵缝灌浆过程等)、混凝土及周边环境温度变化过程、库水水位上升过程以及线胀系数、弹性模量参数等可能会产生变化，在条件变动较大情况下，应进行重新计算分析。计算可采用整体模型、单坝段模型或局部模型。
在本实施例中，预应力锚索布置位置，距廊道顶拱表面距离根据廊道顶拱受拉区高度h确定，锚索布置位置在距表面h/3～h/2之间任意位置，特殊情况可通过有限元仿真分析确定，特殊情况指锚索布置位置距表面距离大于h/2或小于h/3。
在本实施例中，预应力锚索间距，在0.5m～1.0m之间，特殊情况可通过有限元仿真分析确定，特殊情况指相邻锚索间距小于0.5m或大于1.0m。
在本实施例中，预应力锚索形式和锚固形式不限制，预应力沿程损失计算根据锚索形式和锚固形式确定，计算方法按照《水电工程预应力锚索设计规范》确定，但锚索形式确定中，锚索中钢材强度的利用系数在0.6～0.7之间，不易大于0.75。
在本实施例中，预应力锚索锚固端在边墙1/4～3/4高度之间。
预应力张拉次序包括每根锚索张拉时间、张拉量值和不同部位锚索之间的张拉次序，根据有限元仿真分析确定。
下面通过具体实例对本发明步骤作进一步的详细描述。
实例：拱坝
步骤1，根据大坝混凝土浇筑情况，确定允许抗拉强度以及允许抗拉强度随时间变化过程，参图4所示的允许混凝土抗拉强度变化示意图；
步骤2，根据大坝坝体的结构特征、配筋情况、浇筑过程、拱坝横缝封拱过程(重力坝纵缝灌浆过程等)、混凝土及周边环境温度变化过程、库水水位上升过程以及线胀系数、弹性模量参数等，采用线性非线性有限元方法或弹性力学方法得到大坝廊道部位应力分布、屈服区分布以及随时间的变化规律。
拱坝剖面及廊道位置如图3所示，坝高294.5m，最大底宽73.12m。
正常水位高为290m。
计算得到大坝初始应力如图5所示，下部廊道局部应力如图6所示，图5中，1为0.1MPa，2为0.5MPa；图6中，1为0.1MPa，2为0.5MPa，3为1.0MPa，4为1.5MPa，5为2.0MPa。
大坝廊道所在仓混凝土典型温度变化过程如图7所示，大坝廊道拱顶应力变化过程如图8所示。
步骤3，比较廊道周边应力与允许抗拉强度关系，得到廊道拱顶混凝土拉应力大于允许抗拉强度的范围和深度，该廊道应力超标范围为1.5m，如图9中91所示。
步骤4，根据计算得到的廊道顶拱混凝土超出允许抗拉强度的范围和深度，确定锚索布置位置，本实施例中，锚索距廊道顶拱距离为0.6m，距边墙外围距离同样为0.6m，锚索端部在边墙1/4高度，如图9所示，图中，92为锚索剖面布置位置，93为锚索端部。锚索101间距为1.0m，如图10中102所示。
步骤5，根据确定后的锚索布置、锚索形式，确定锚索预应力最大量值，并考虑沿程损失，按照步骤1的要求，重新考虑各种条件，采用有限元方法计算得到大坝廊道拱顶及边墙部位施加预应力后的应力分布以及随时间的变化规律。图11为拱顶预压应力施加过程，图12为施加预应力后拱顶应力变化过程线。
本发明通过布置廊道预应力锚索，调整廊道拱顶局部应力分布规律，来改善大坝工作性态，防止坝体廊道顶拱纵向裂缝，提高了结构安全性。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据大坝混凝土浇筑情况，确定允许抗拉强度、允许抗压强度以及允许强度随时间变化的过程；
步骤2，根据大坝坝体的基础数据采用有限元分析方法或理论分析方法获取大坝廊道部位应力分布以及应力分布随时间变化的规律；其中，所述大坝坝体的基础数据包括：结构特征、浇筑过程、温控措施、配筋情况、拱坝横缝封拱过程、混凝土及周边环境温度变化过程、库水水位上升过程以及线胀系数、弹性模量、绝热温升、徐变、自生体积变形参数；
步骤3，通过比较廊道周边应力与允许抗拉强度的大小，获取廊道拱顶混凝土拉应力超出允许抗拉强度的范围和深度；
步骤4，根据获取的廊道顶拱混凝土最大拉应力以及超出允许抗拉强度的范围和深度，初步确定预应力锚索布置的位置，包括距廊道顶拱表面的距离、预应力锚索间距、锚索固定端位置；
步骤5，根据初步确定的预应力锚索布置位置情况，确定预应力锚索形式、锚固形式，估算最大预应力；
步骤6，根据确定的预应力锚索布置、形式和最大预应力，初步确定预应力张拉次序，采用有限元仿真方法，计算得到施加预应力后的廊道顶拱应力分布和变化情况；
步骤7，比较预应力施加后廊道周边应力与允许抗拉强度的大小，确定是否有超过混凝土允许抗拉强度的区域，若是，则根据步骤4～5对预应力最大量值、布置位置和张拉次序进行调整；
步骤8，重复步骤4～7直至廊道顶拱及两侧边墙应力在允许抗拉强度范围内，确定最终预应力锚索布置位置、锚索形式、锚固形式、最大量值和张拉次序。
2.根据权利要求1所述的一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法，其特征在于，步骤1中，所述允许抗拉强度包括混凝土早龄期允许抗拉强度和长期允许抗拉强度；其中，混凝土早龄期允许抗拉强度为随时间的变化量，龄期在180天以后用长期允许抗拉强度，混凝土早龄期抗拉强度公式采用：
Rt＝R0τ/(α+τ)；
其中，Rt为早龄期强度，R0为长期允许抗拉强度，τ为以天计的龄期，α为系数；
长期允许抗压强度Rc采用公式下述确定：
Rt＝0.232Rc 2/3。
3.根据权利要求2所述的一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法，其特征在于，当步骤2中所述大坝坝体的基础数据发生变动时，重新获取大坝廊道部位应力分布以及应力分布随时间变化的规律。
4.根据权利要求3所述的一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法，其特征在于，步骤4中，所述预应力锚索布置位置，距廊道顶拱表面的距离根据廊道顶拱受拉区高度h确定，所述预应力锚索布置位置在距廊道顶拱表面h/3～h/2之间任意位置。
5.根据权利要求4所述的一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法，其特征在于，步骤4中，所述预应力锚索间距，在0.5m～1.2m之间。
6.根据权利要求5所述的一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法，其特征在于，步骤5中，预应力锚索形式确定中，锚索中钢材强度的利用系数在0.6～0.7之间。
7.根据权利要求6所述的一种防止高混凝土坝坝内廊道顶拱开裂的方法，所述预应力张拉次序包括每根锚索张拉时间、张拉量值和不同部位锚索之间的张拉次序，根据有限元仿真分析确定。
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