專利名稱：軟弱地基上碾壓混凝土柔性拱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及碾壓混凝土筑壩技術(shù)已有技術(shù)我國需要優(yōu)質(zhì)、高速、經(jīng)濟(jì)地開發(fā)大西北水利資源，因此需要大量在高寒、泥鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖條件下進(jìn)行工程建設(shè)，碾壓混凝土筑壩技術(shù)是采用于硬性混凝土和碾壓方法來修建混凝土壩，與常規(guī)混凝土筑壩方式相比，具有水泥用量少，相應(yīng)的水化熱溫升少、溫控簡化，不等待表面散熱的大倉面連續(xù)快速施工，大大加快混凝土壩建造速度。由于碾壓混凝土容易出現(xiàn)層間缺陷，重力壩往往采用加大剖面和加大工程量的辦法以保證其穩(wěn)定安全。通常修建拱壩理想的壩址條件是河谷較窄(高寬比為1∶5)弱風(fēng)化層淺而基巖性能良好(整體性好，足夠強(qiáng)度，透水性小等)的剛性基礎(chǔ)上。在高寒地區(qū)軟弱基礎(chǔ)(如中國新疆等西北地區(qū))上可采用重力拱壩(厚高比＞0.35)，一則加大基礎(chǔ)承載能力，二則水壓荷載更多由梁來分擔(dān)，減少了拱和拱座推力，采用重力拱壩還增加了巖基開挖和壩體混凝土工程量(約1/3~2/5)，相應(yīng)增加施工強(qiáng)度、設(shè)備或延長工期，增加動態(tài)投資。但在高寒地區(qū)軟弱基礎(chǔ)上修建拱壩尤其是較薄的拱壩易使溫度變形過大，拱座受水壓力變位過大，局部應(yīng)力集中惡化(如拱冠下游拉裂延伸形成拱冠上游面壓力過大破壞等)以至造成壩體破壞，技術(shù)困難大，因此國內(nèi)外在這種條件下很少修建較薄的快速經(jīng)濟(jì)的高拱壩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述重力拱壩和拱壩的不足，在充分考慮軟弱地基上拱壩變位特性的基礎(chǔ)上，提出一種軟弱地基上碾壓混凝土柔性拱構(gòu)造。在上游壩肩和下游拱冠垂直拉力方向設(shè)柔性材料帶，則拉力大大減小，拉力變形集中在柔性材料帶，混凝土內(nèi)拉應(yīng)力減小到允許范圍，從而大大減少整體應(yīng)力。不僅節(jié)約工程量，大大改善大變形引起的拱壩應(yīng)力，而且修建工程量較少的碾壓混凝土拱壩大大加快施工速度，還可降低溫升和內(nèi)外溫差，減少壩體裂縫，保證壩體質(zhì)量。
本發(fā)明提出一種軟弱地基上碾壓混凝土柔性拱構(gòu)造。其特征在于，包括在水平拱圈上，上游左右壩肩拉力區(qū)和下游拱冠拉力區(qū)設(shè)柔性材料帶，下游拱冠的拉力區(qū)柔性材料帶徑向長度ab和上游壩肩拉力區(qū)柔性材料帶徑向長度a1b1約1～2米，上游壩肩拉力區(qū)柔性材料帶彎曲長度b1c為1～2米且和徑向a1b1夾角30～60度；下游拱冠和左右壩肩柔性帶離上游壩面約30～40cm處分別設(shè)止水，左右壩肩柔性帶端點(diǎn)用槽鋼止裂，下游拱冠柔性帶端亦設(shè)止裂槽鋼；在拱壩立面上，從離拱壩基座以上約壩高1/5高度往上沿左右壩肩主要平面拱作用區(qū)連續(xù)設(shè)置柔性材料帶，該柔性材料帶底部亦設(shè)槽鋼止裂。
壩頂在高寬比為1∶0.6～1∶0.8范圍內(nèi)可有橫縫隔離的垂直懸臂梁。柔性材料帶周圍可設(shè)灌漿系統(tǒng)。所說的柔性材料帶可采用彈性模量在300-500MPa的材料如木材、塑料、瀝青等。
本發(fā)明的作用及效果本發(fā)明在拱壩拉力區(qū)設(shè)薄層柔性材料，使平面拱微量自由伸長或改變曲率(加大曲率)不引起應(yīng)力急劇惡化，也減少上下層拱的變位差，減少了梁向拉應(yīng)力。因此用本發(fā)明可降低拱壩剛度，使它易于適應(yīng)軟弱基礎(chǔ)上拱壩在水壓作用下加大的拱座變位和運(yùn)行期溫降帶來的平面拱受拉變形，將這些拉力區(qū)受拉變形集中在(低彈模)柔性材料帶，大大降低拱壩拉應(yīng)力到允許值，本發(fā)明還可在變形帶末端設(shè)止裂措施直到防止裂縫延伸的作用。
軟巖基礎(chǔ)上拱壩在水壓作用下拱座向下游和兩側(cè)變位加大，拱冠曲率減小，使壩肩上游和拱冠下游面都出現(xiàn)破壞性的拉力區(qū)，施工期和運(yùn)行期壩體溫降容易將拱端混凝土拉裂，除在壩肩埋設(shè)備用接觸灌漿以防溫降拉裂外，可在上游壩肩和下游拱冠垂直拉力方向設(shè)柔性材料帶，則拉力大大減小，拉力變形集中在柔性材料帶，混凝土內(nèi)拉應(yīng)力減小到允許范圍。
計算和工程實(shí)踐都表明當(dāng)結(jié)構(gòu)拉力變形由不同彈模材料串連分擔(dān)時，材料變形主要由低彈模段來承擔(dān)，從而大大減少整體應(yīng)力。軟弱基巖上用較薄的“柔性拱”構(gòu)造，不僅節(jié)約工程量，大大改善大變形引起的拱壩應(yīng)力，而且修建工程量較少的碾壓混凝土拱壩大大加快施工速度，以平面拱為主承受水壓力，減少層間缺陷對壩體安全(剪力破壞)帶來的威脅，碾壓混凝土還可降低溫升和內(nèi)外溫差，減少壩體裂縫，保證壩體質(zhì)量。
本發(fā)明可適用于巖基彈模3000～4000MPa以上軟弱地基上修建拱壩，實(shí)際上在拱壩拉力區(qū)設(shè)柔性材料帶都能改善壩體應(yīng)力。在高寒地區(qū)施工工期短，用碾壓混凝土可以大大加快投入運(yùn)行日期，水泥用量少，減輕溫控負(fù)擔(dān)，降低施工期壩體溫降和內(nèi)外溫差，對保證壩體混凝土質(zhì)量也是有意義的。


圖1為本發(fā)明的軟弱地基上碾壓混凝土柔性拱壩實(shí)施例構(gòu)造平面示意圖。
圖2為本發(fā)明的軟弱地基上碾壓混凝土柔性拱壩實(shí)施例構(gòu)造立面示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明設(shè)計的一種軟弱地基上碾壓混凝土柔性拱壩實(shí)施例結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下本實(shí)施例是修建在高寒地區(qū)(年平均氣溫+4.1度)、軟弱地基上(泥鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖，彈模4000MPa，最大拉壓強(qiáng)度12～14MPa)的碾壓混凝土拱壩，壩高109米，河谷底寬近百米，拱推力大，為減少軟弱地基壓力強(qiáng)度和變位，拱座局部加寬壩厚的1/5，拱壩剖面梁最大底寬為30米，為碾壓施工需求壩頂寬5米。壩體采用本發(fā)明構(gòu)造。
本實(shí)施例柔性拱構(gòu)造如圖1和圖2所示。
拱座混凝土牢固地插入軟弱巖石，以使壩體和巖石共同變形。
碾壓混凝土壩段長度達(dá)80米，施工期壩體溫降時依靠中縫7的變形松弛拉應(yīng)力。拱肩fg沿軟巖面若被拉裂，可由回填接觸灌漿31，32重新粘合，以保證后期傳遞壓力。壩體上游由于天然或人工方式冷卻形成低溫區(qū)，在低溫區(qū)設(shè)鉸接井6，鉸結(jié)井內(nèi)回填膨脹混凝土后形成鉸接拱，則施工期即可擋水，待壩體溫降至灌漿溫度后中縫7再灌漿形成整體拱。中縫內(nèi)設(shè)灌漿系統(tǒng)5。
本實(shí)施例采用彈性模量為300MPa的油浸瀝青木板作為柔性材料帶在水平拱圈上，在上游左右壩肩拉力區(qū)(約離巖石面10米以內(nèi))和下游拱冠拉力區(qū)(約1/3拱長)設(shè)柔性材料帶21，22，23，下游拱冠的拉力區(qū)柔性材料帶徑向長度ab和上游左右壩肩拉力區(qū)柔性材料帶徑向長度a1b1約1～2米，上游左右壩肩拉力區(qū)柔性材料帶彎曲長度b1c為1～2米且和徑向a1b1夾角30～60度。柔性帶水壓作用下相對固端變形，改變拱冠曲率，減少拱壩拉力，大大改善平面拱應(yīng)力。上游拱冠和左右壩肩柔性帶離上游壩面約30cm處分別設(shè)止水41，42，以防柔性帶內(nèi)由于水壓造成劈裂。左右壩肩和上游拱冠柔性帶端點(diǎn)(如c點(diǎn))用槽鋼止裂，下游拱冠柔性帶端亦可設(shè)止裂槽鋼11。在拱壩立面上，柔性材料帶從離拱壩基座以上約壩高1/5高度往上沿左右壩肩主要平面拱作用區(qū)連續(xù)布置，柔性材料帶底部亦設(shè)槽鋼13止裂。壩頂在高寬比為1∶0.6～1∶0.8范圍內(nèi)可保留為有橫縫隔離的垂直懸臂梁，以削減溫度拱向拉力，在高水位時可改善拱壩中下部梁向應(yīng)力。柔性材料帶周圍可設(shè)灌漿系統(tǒng)。
為比較應(yīng)力位移取剛性基礎(chǔ)彈模2000MPa，壩體混凝土彈模2000MPa，用14330個有限單元計算比較。
表1水壓荷載作用下控制點(diǎn)應(yīng)力(MPa)

注表中“+”表示拉應(yīng)力，“-”表示壓應(yīng)力。
表2水壓荷載作用下控制點(diǎn)順河向位移(mm)

注表中“-”表示向下游變位。
可見在柔性基礎(chǔ)上采用柔性拱，雖然順河向位移加大1/4，但上游壩肩拉力下降到安全值，上游壩面壓力加大，拱座斷面壓力加大，也都在安全值內(nèi)，柔性拱減小壩踵梁向拉力(和自重疊加仍在安全值內(nèi))，因此柔性拱對水壓面積的拱壩應(yīng)力有利。
溫度荷載下柔性拱作用當(dāng)整體溫降10℃時壩體和巖石交界面產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，剛性拱壩肩上游面拉應(yīng)力達(dá)4.8MPa，而柔性拱下降到1.48MPa，降低2/3左右，1/4拱短縫處拉應(yīng)力也下降0.5~1.0MPa。下游面中縫保留的人工短縫降低下游拱冠拉力的峰值，柔性拱壩體剛度降低變位增大適應(yīng)壩體溫降的變位。
可見柔性拱壩體在水壓和溫度荷載作用下因降低壩體剛度而降低壩體應(yīng)力集中，大大改善壩體應(yīng)力，柔性拱壩體位移在水壓作用有所增加但應(yīng)力并不惡化，增大壩肩厚度雖不能改善壩肩上游面應(yīng)力集中，但可減少壩體和巖石接觸面的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力。因此柔性拱結(jié)合壩肩局部加厚可解決壩體位移加大引起應(yīng)力惡化問題，軟弱基礎(chǔ)上修建拱壩不難通過采用結(jié)構(gòu)措施成為可行。
權(quán)利要求
1.一種軟弱地基上碾壓混凝土柔性拱，其特征在于，包括在水平拱圈上，上游左、右壩肩拉力區(qū)和下游拱冠拉力區(qū)設(shè)柔性材料帶，該下游拱冠拉力區(qū)的柔性材料帶徑向長度ab和上游左、右壩肩拉力區(qū)的柔性材料帶徑向長度a1b1為1～2米，上游左、右壩肩拉力區(qū)柔性材料帶彎曲長度b1c為1～2米，且b1c和a1b1的夾角為30～60度，下游拱冠和左、右壩肩拉力區(qū)的柔性材料帶離上游壩面30～40cm處分別設(shè)止水，左右壩肩拉力區(qū)的柔性材料帶端點(diǎn)設(shè)置止裂槽鋼，下游拱冠柔性材料帶端亦設(shè)有止裂槽鋼；在拱壩立面上，從離拱壩基座以上1/5壩的高度往上沿左右壩肩主要平面拱作用區(qū)連續(xù)設(shè)置柔性材料帶，該柔性材料帶底部亦設(shè)有止裂槽鋼。
2.如權(quán)利要求1所述的軟弱地基上碾壓混凝土柔性拱，其特征在于，還包括壩頂在高寬比為1∶0.6～1∶0.8范圍內(nèi)有橫縫隔離的垂直懸臂梁。
3.如權(quán)利要求1所述的軟弱地基上碾壓混凝土柔性拱構(gòu)造，其特征在于，所說的柔性材料帶周圍設(shè)有灌漿系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求1所述的軟弱地基上碾壓混凝土柔性拱構(gòu)造，其特征在于，所說的柔性材料帶采用彈性模量在300~500MPa的材料。
全文摘要
本發(fā)明屬于水利工程技術(shù)領(lǐng)域,包括在水平拱圈上,上游左、右壩肩拉力區(qū)和下游拱冠拉力區(qū)設(shè)柔性材料帶,下游拱冠和左、右壩肩拉力區(qū)的柔性材料帶離上游壩面30～40cm處分別設(shè)止水,左右壩肩拉力區(qū)的柔性材料帶端點(diǎn)設(shè)置止裂槽鋼,下游拱冠柔性材料帶端亦設(shè)有止裂槽鋼;在拱壩立面上,從離拱壩基座以上1/5壩的高度往上沿左右壩肩主要平面拱作用區(qū)連續(xù)設(shè)置柔性材料帶,該柔性材料帶底部亦設(shè)有止裂槽鋼。本發(fā)明不僅節(jié)約工程量,可大改善大變形引起的拱壩應(yīng)力,而且修建工程量較少的碾壓混凝土拱壩大大加快施工速度,還可降低溫升和內(nèi)外溫差,減少壩體裂縫,保證壩體質(zhì)量。
文檔編號E02B7/02GK1335432SQ0113089
公開日2002年2月13日 申請日期2001年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月31日
發(fā)明者劉光廷, 李鵬輝, 陳鳳岐, 張富德, 徐增輝 申請人:清華大學(xué)