CN113191058B - 高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法 - Google Patents
高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了高拱坝混凝土碱‑骨料反应变形控制方法，模拟拱坝混凝土碱‑骨料反应膨胀变形：预测拱坝混凝土碱‑骨料反应可能引起的膨胀变形值，采用坝体整体升温的方式模拟拱坝混凝土碱‑骨料反应膨胀变形；分析碱‑骨料反应膨胀变形对拱坝长期安全影响。本发明针对高拱坝碱‑骨料反应问题，建立考虑碱‑骨料反应膨胀变形对拱坝长期安全影响的分析方法，提出大坝混凝土允许碱‑骨料反应膨胀变形控制指标，以及抑制混凝土碱‑骨料反应对大坝不利影响的工程措施，进而建立一整套高拱坝混凝土碱‑骨料反应变形控制技术，实现了混凝土碱‑骨料反应学科与拱坝结构设计结合的技术突破，对保障高拱坝长期安全运行具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程领域，尤其涉及高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法。
背景技术
碱-骨料反应是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应，引起混凝土不均匀膨胀，导致开裂、甚至破坏。碱-骨料反应破坏(AAR)发生在混凝土内部，且持续不断进行，修补与加固非常困难，有时甚至需要重建。半个多世纪以来，碱-骨料反应破坏已在全球范围内造成巨大的损失，特别是水工混凝土结构，其所处的潮湿环境和较长的寿命要求为碱-骨料反应提供了优良的环境条件和时间保证。
碱-骨料反应所导致的严重后果已逐渐被人们所认识。近年来，许多水利工程已经开始重视碱-骨料反应问题，越来越多的工程在开工前对骨料进行碱活性检验，并采取积极措施预防碱-骨料反应的发生，如在混凝土中采用组合骨料，掺和矿渣、粉煤灰、火山灰等活性材料以及控制混凝土总碱含量等工程措施抑制碱-骨料反应，但长期有效性还需论证。
为此，我们提出高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法以解决上述提出的问题。
本发明提供如下技术方案：
高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法，包括以下步骤：
A、模拟拱坝混凝土碱-骨料反应膨胀变形：预测拱坝混凝土碱-骨料反应可能引起的膨胀变形值，采用坝体整体升温的方式模拟拱坝混凝土碱-骨料反应膨胀变形；
B、分析碱-骨料反应膨胀变形对拱坝长期安全影响：采用弹塑性有限元方法，考虑拱坝运行期可能遭遇的各荷载组合，分析各荷载组合工况下拱坝的屈服区和变形随膨胀变形增加的扩展过程和变化规律；
C、提出大坝混凝土允许碱-骨料反应膨胀变形控制指标：计算得到各种荷载组合下拱坝变形与膨胀变形的关系曲线以及坝体的屈服区分布，根据坝体屈服区的扩展范围、坝体变形与膨胀变形关系曲线的斜率，提出对应不同风险级别下拱坝最大允许膨胀变形量值的确定准则；
D、提出抑制混凝土碱-骨料反应对大坝不利影响的工程措施：提出相应工程措施，如控制混凝土总碱含量抑制碱-骨料反应，通过控制最低库水位，减小库水抬升或消落速率等，抑制混凝土碱-骨料反应对大坝的不利影响。
优选的，所述步骤A中坝体混凝土采用坝址附近料场的大理岩和石英砂岩骨料，其中石英砂岩是碱活性岩石。
优选的，所述步骤B中根据拱坝实际体型、分缝、细部结构、不同部位的材料分区以及工程地质条件，建立拱坝-地基三维有限元模型。
优选的，所述步骤B中弹塑性有限元方法：计算分析各荷载组合下拱坝屈服区以及变形随膨胀变形增加的扩展过程和变化规律，计算分析中坝体混凝土与地基岩体的材料非线性采用DP屈服准则模拟，坝体横缝采用接触单元模拟。
优选的，所述步骤C中计算荷载组合包括以下：(1)基本组合Ⅰ：上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温降+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(2)基本组合Ⅱ：上游死水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温降+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(3)基本组合Ⅲ：上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(4)基本组合Ⅳ：上游死水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(5)偶然组合Ⅰ：上游校核洪水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形。
本发明提供了高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法，本发明针对高拱坝碱-骨料反应问题，建立考虑碱-骨料反应膨胀变形对拱坝长期安全影响的分析方法，提出大坝混凝土允许碱-骨料反应膨胀变形控制指标，以及抑制混凝土碱-骨料反应对大坝不利影响的工程措施，进而建立一整套高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制技术，实现了混凝土碱-骨料反应学科与拱坝结构设计结合的技术突破，对保障高拱坝长期安全运行具有重要意义。
附图说明
图1为本发明步骤原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法，包括以下步骤：
A、模拟拱坝混凝土碱-骨料反应膨胀变形：预测拱坝混凝土碱-骨料反应可能引起的膨胀变形值，采用坝体整体升温的方式模拟拱坝混凝土碱-骨料反应膨胀变形；
B、分析碱-骨料反应膨胀变形对拱坝长期安全影响：采用弹塑性有限元方法，考虑拱坝运行期可能遭遇的各荷载组合，分析各荷载组合工况下拱坝的屈服区和变形随膨胀变形增加的扩展过程和变化规律；
C、提出大坝混凝土允许碱-骨料反应膨胀变形控制指标：计算得到各种荷载组合下拱坝变形与膨胀变形的关系曲线以及坝体的屈服区分布，根据坝体屈服区的扩展范围、坝体变形与膨胀变形关系曲线的斜率，提出对应不同风险级别下拱坝最大允许膨胀变形量值的确定准则；
D、提出抑制混凝土碱-骨料反应对大坝不利影响的工程措施：提出相应工程措施，如控制混凝土总碱含量抑制碱-骨料反应，通过控制最低库水位，减小库水抬升或消落速率等，抑制混凝土碱-骨料反应对大坝的不利影响。
进一步地，步骤A中坝体混凝土采用坝址附近料场的大理岩和石英砂岩骨料，其中石英砂岩是碱活性岩石。
进一步地，步骤B中根据拱坝实际体型、分缝、细部结构、不同部位的材料分区以及工程地质条件，建立拱坝-地基三维有限元模型。
进一步地，步骤B中弹塑性有限元方法：计算分析各荷载组合下拱坝屈服区以及变形随膨胀变形增加的扩展过程和变化规律，计算分析中坝体混凝土与地基岩体的材料非线性采用DP屈服准则模拟，坝体横缝采用接触单元模拟。
进一步地，步骤C中计算荷载组合包括以下：(1)基本组合Ⅰ：上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温降+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(2)基本组合Ⅱ：上游死水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温降+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(3)基本组合Ⅲ：上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(4)基本组合Ⅳ：上游死水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(5)偶然组合Ⅰ：上游校核洪水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形。
将混凝土可能产生的膨胀变形值εv1，εv2，...，εvi，...，εvn，换算为相应的温度增加量ΔT1，ΔT2，...，ΔTl，...，ΔTn，即将混凝土可能产生的膨胀变形除以混凝土的线膨胀系数，可公式表示为：
表1不同风险级别下拱坝最大允许膨胀变形量值的确定准则
表中提出各荷载组合下大坝混凝土允许碱-骨料反应膨胀变形的控制阈值。
实施例一：
本发明采用某混凝土特高拱坝，坝顶高程1885m，建基面底高程1580m，最大坝高305m。
A：模拟拱坝混凝土碱-骨料反应膨胀变形。
预测拱坝混凝土碱-骨料反应可能引起的膨胀变形值，将混凝土可能产生的膨胀变形值等效为相应的温度增加量，采用坝体整体升温的方式模拟拱坝混凝土碱-骨料反应膨胀变形该工程混凝土的线膨胀系数取8.5×10-6/℃，混凝土碱-骨料反应可能引起的膨胀变形值对应的温度荷载增量按上述公式计算，计算结果见下表：
不同膨胀变形值对应的温度荷载增加值
B：分析碱-骨料反应膨胀变形对拱坝长期安全影响：
1、有限元计算模型。
根据拱坝实际体型、分缝、细部结构、不同部位的材料分区以及工程地质条件，建立拱坝-地基三维有限元模型。
2、计算荷载及方法。
计算荷载组合包括：
(1)基本组合Ⅰ：上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温降+可能的碱-骨料反应膨胀变形；
(2)基本组合Ⅱ：上游死水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温降+可能的碱-骨料反应膨胀变形；
(3)基本组合Ⅲ：上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形；
(4)基本组合Ⅳ：上游死水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形；
(5)偶然组合Ⅰ：上游校核洪水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形。
3、不同碱-骨料反应变形下拱坝的变形与屈服状态：
基本组合Ⅰ：正常蓄水位+温降：随着拱坝膨胀变形量逐渐增大，拱坝上、下游拱端的屈服区逐渐扩大，在膨胀变形量200με时，靠近左右坝肩的下游坝面的上部高程出现屈服，随着膨胀变形量的进一步增大，拱坝屈服区的范围不断扩展，膨胀变形量800με下，右岸建基面高高程局部屈服区沿上、下游面贯通。
不同膨胀变形量下坝顶顺河向位移变化过程，坝顶拱冠梁的顺河向变形随膨胀变形量的增大逐渐向上游变形，坝肩部位的顺河向变形随膨胀变形量的增大逐渐向下游变形，但变形并未发生突变，表明在膨胀变形量800με下坝体整体处于线弹性状态，整体并未发生破坏失稳。
基本组合Ⅱ：死水位+温降：随着拱坝膨胀变形量逐渐增大，拱坝上、下游拱端的屈服区逐渐扩大，在膨胀变形量100με时，靠近左右坝肩的下游坝面的上部高程出现屈服，随着膨胀变形量的进一步增大，拱坝屈服区的范围不断扩展，膨胀变形量800με下，坝体大范围屈服，建基面屈服区沿上、下游面贯通。
不同膨胀变形量下坝顶顺河向位移变化过程，坝顶顺河向变形随膨胀变形量的增大逐渐向上游变形，在膨胀变形量400με时，拱坝变形出现拐点，表明拱坝的整体刚度明显降低。
基本组合Ⅲ：正常蓄水位+温升：随着拱坝膨胀变形量逐渐增大，拱坝上、下游拱端的屈服区逐渐扩大，在膨胀变形量300με时，靠近左右坝肩的下游坝面的上部高程出现屈服，随着膨胀变形量的进一步增大，拱坝屈服区的范围不断扩展，膨胀变形量800με下，右岸建基面高高程局部屈服区沿上、下游面贯通。
不同膨胀变形量下坝顶顺河向位移变化过程，坝顶拱冠梁的顺河向变形随膨胀变形量的增大逐渐向上游变形，坝肩部位的顺河向变形随膨胀变形量的增大逐渐向下游变形，但变形并未发生突变，表明在膨胀变形量800με下坝体整体处于线弹性状态，整体并未发生破坏失稳。
基本组合Ⅳ：死水位+温升：随着拱坝膨胀变形量逐渐增大，拱坝上、下游拱端的屈服区逐渐扩大，在膨胀变形量150με时，靠近左右坝肩的下游坝面的上部高程出现屈服，随着膨胀变形量的进一步增大，拱坝屈服区的范围不断扩展，膨胀变形量800με下，坝体大范围屈服，建基面屈服区沿上、下游面贯通。
不同膨胀变形量下坝顶顺河向位移变化过程，死水位+温升工况下，坝顶顺河向变形随膨胀变形量的增大逐渐向上游变形，在膨胀变形量400με时，拱坝变形出现拐点，表明拱坝的整体刚度明显降低
偶然组合Ⅰ：校核洪水位+温升：随着拱坝膨胀变形量逐渐增大，拱坝上、下游拱端的屈服区逐渐扩大，在膨胀变形量300με时，靠近左右坝肩的下游坝面的上部高程出现屈服，随着膨胀变形量的进一步增大，拱坝屈服区的范围不断扩展，膨胀变形量800με下，右岸建基面高高程局部屈服区沿上、下游面贯通。
不同膨胀变形量下坝顶顺河向位移变化过程，坝顶拱冠梁的顺河向变形随膨胀变形量的增大逐渐向上游变形，坝肩部位的顺河向变形随膨胀变形量的增大逐渐向下游变形，但变形并未发生突变，表明在膨胀变形量800με下坝体整体处于线弹性状态，整体并未发生破坏失稳。
C：提出大坝混凝土允许碱-骨料反应膨胀变形控制指标。
根据步骤B计算分析得到的坝体屈服区的扩展范围、坝体变形与膨胀变形关系曲线的斜率，按照表1提出的不同风险级别下拱坝最大允许膨胀变形量值的确定准则，可给出各荷载组合下大坝混凝土允许碱-骨料反应膨胀变形的控制阈值，如不同风险级别下拱坝最大允许膨胀变形量值的确定准则表中所示：
D：提出抑制混凝土碱-骨料反应对大坝不利影响的工程措施
步骤C中给的大坝混凝碱-骨料反应膨胀变形控制阈值，拱坝在低水位运行时安全储备较低，因此，提出在大坝运行过程中，尽可能抬升最低库水位，减小库水位的消落速率，从而抑制混凝土碱-骨料反应对大坝的不利影响。
本发明中，预测拱坝混凝土碱-骨料反应可能引起的膨胀变形值，将混凝土可能产生的膨胀变形值等效为相应的温度增加量，采用坝体整体升温的方式模拟拱坝混凝土碱-骨料反应膨胀变形；采用弹塑性有限元方法，考虑拱坝运行期可能遭遇的各荷载组合，计算不同荷载组合下拱坝在碱-骨料反应影响下的工作性态，分析各荷载组合工况下拱坝的屈服区和变形随膨胀变形增加的扩展过程和变化规律；根据坝体屈服区的扩展范围、坝体变形与膨胀变形关系曲线的斜率，提出对应不同风险级别下拱坝最大允许膨胀变形量值的确定准则，进而确定各荷载组合下大坝混凝土允许碱-骨料反应膨胀变形的控制阈值；根据提出的大坝混凝土允许碱-骨料反应膨胀变形控制指标，提出相应工程措施，抑制混凝土碱-骨料反应对大坝的不利影响；针对高拱坝碱-骨料反应问题，建立考虑碱-骨料反应膨胀变形对拱坝长期安全影响的分析方法，提出大坝混凝土允许碱-骨料反应膨胀变形控制指标，以及抑制混凝土碱-骨料反应对大坝不利影响的工程措施，进而建立一整套高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制技术，实现了混凝土碱-骨料反应学科与拱坝结构设计结合的技术突破，对保障高拱坝长期安全运行具有重要意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法，包括以下步骤：其特征在于：
A、模拟拱坝混凝土碱-骨料反应膨胀变形：预测拱坝混凝土碱-骨料反应可能引起的膨胀变形值，采用坝体整体升温的方式模拟拱坝混凝土碱-骨料反应膨胀变形；
B、分析碱-骨料反应膨胀变形对拱坝长期安全影响：采用弹塑性有限元方法，考虑拱坝运行期可能遭遇的各荷载组合，分析各荷载组合工况下拱坝的屈服区和变形随膨胀变形增加的扩展过程和变化规律；
C、提出大坝混凝土允许碱-骨料反应膨胀变形控制指标：计算得到各种荷载组合下拱坝变形与膨胀变形的关系曲线以及坝体的屈服区分布，根据坝体屈服区的扩展范围、坝体变形与膨胀变形关系曲线的斜率，提出对应不同风险级别下拱坝最大允许膨胀变形量值的确定准则；
D、提出抑制混凝土碱-骨料反应对大坝不利影响的工程措施：提出相应工程措施，控制混凝土总碱含量抑制碱-骨料反应，通过控制最低库水位，减小库水抬升或消落速率，抑制混凝土碱-骨料反应对大坝的不利影响。
2.根据权利要求1所述的高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法，其特征在于：所述步骤A中坝体混凝土采用坝址附近料场的大理岩和石英砂岩骨料，其中石英砂岩是碱活性岩石。
3.根据权利要求1所述的高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法，其特征在于：所述步骤B中根据拱坝实际体型、分缝、细部结构、不同部位的材料分区以及工程地质条件，建立拱坝-地基三维有限元模型。
4.根据权利要求1所述的高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法，其特征在于：所述步骤B中弹塑性有限元方法：计算分析各荷载组合下拱坝屈服区以及变形随膨胀变形增加的扩展过程和变化规律，计算分析中坝体混凝土与地基岩体的材料非线性采用DP屈服准则模拟，坝体横缝采用接触单元模拟。
5.根据权利要求1所述的高拱坝混凝土碱-骨料反应变形控制方法，其特征在于：所述步骤C中计算荷载组合包括以下：(1)基本组合Ⅰ：上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温降+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(2)基本组合Ⅱ：上游死水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温降+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(3)基本组合Ⅲ：上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(4)基本组合Ⅳ：上游死水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形；(5)偶然组合Ⅰ：上游校核洪水位+相应下游水位+泥沙压力+坝体自重+温升+可能的碱-骨料反应膨胀变形。
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