專利名稱：碾壓混凝土拱壩人工短縫結(jié)構(gòu)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拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
拱壩是固接在基礎(chǔ)巖體上的整體超靜定結(jié)構(gòu)，混凝土澆注后前期混凝土內(nèi)部溫度升高，表面散熱溫度低，內(nèi)外溫差形成表面的溫差拉應(yīng)力，混凝土拱壩后期降溫引起拉力尤其在拱座上游面和拱冠下游面產(chǎn)生較大的溫度拉應(yīng)力，水庫蓄水的水荷載還會(huì)加大拱座上游面的拉應(yīng)力，當(dāng)溫度和水荷載引起的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，壩體就會(huì)出現(xiàn)裂縫，破壞拱壩的整體性。常規(guī)的混凝土拱壩為防止裂縫施工期采用柱狀法分塊澆注，沿拱軸每15米～20米設(shè)橫縫，溫度變化可自由變形，橫縫采用徑向布置，將壩體分成若干壩段?？p內(nèi)預(yù)埋灌漿管和出漿盒，以便壩體冷卻后灌漿形成整體拱。常用預(yù)冷混凝土材料，壩內(nèi)埋設(shè)冷卻水管進(jìn)行通水冷卻以降低前期最高溫升和后期強(qiáng)制降溫等措施使壩體混凝土溫度冷卻到穩(wěn)定溫度，混凝土已充分收縮后，再行灌漿封拱，以保證拱壩的整體性。
近30年來采用碾壓混凝土代替常態(tài)混凝土，其優(yōu)點(diǎn)在于a、連續(xù)快速澆注，能縮短筑壩工期，大大節(jié)約動(dòng)態(tài)投資；b、減少水泥用量，但仍能保持較高的后期強(qiáng)度，且相應(yīng)減少對(duì)混凝土溫控的要求；c、可簡化施工工藝，大倉面澆注。國內(nèi)外已建成碾壓混凝土拱壩7座。
南非1988年和1990年建成了兩座碾壓混凝土重力拱壩(50米高的夸爾波爾特壩和70米高的烏勒維丹斯壩)，采用全倉面澆注，未設(shè)橫縫，其溫度誘導(dǎo)縫布置如圖1所示，在上游面設(shè)置溫度誘導(dǎo)縫(11-15)，近于徑向布置，縫長為2米，縫之間的間距為10米，這種溫度誘導(dǎo)縫到運(yùn)行期隨拉力區(qū)向內(nèi)推移，有的發(fā)展為貫穿性裂縫，破壞了拱壩的整體性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種碾壓混凝土拱壩人工短縫結(jié)構(gòu)，使其即能發(fā)揮碾壓混凝土大倉面連續(xù)澆注的優(yōu)越性，又便利于削減拱壩的拉應(yīng)力，在碾壓混凝土拱壩的拱座上游面和拱冠下游面提供自由變形面，可進(jìn)行有效的應(yīng)力釋放，并能控制拉力區(qū)裂縫的位置。
本發(fā)明提出的一種碾壓混凝土拱壩人工短縫構(gòu)造，其特征在于，包括在碾壓混凝土拱壩的左右壩肩上游設(shè)置人工折縫，在人工折縫的上游面設(shè)止水，縫內(nèi)設(shè)排水管，縫邊部布置升漿管和出漿盒，縫端設(shè)有止裂材料；拱壩的下游拱冠拉力區(qū)設(shè)有人工徑向縫，縫端設(shè)彈性模量＞200000Mpa的止裂材料。
在左右壩肩采用常態(tài)混凝土或變態(tài)混凝土的墊座。
還包括在左右壩肩下游設(shè)與壩體碾壓混凝土相同材料的貼角。
所說的人工折縫的徑向段長度為1.0米～1.5米，一般不應(yīng)超過壩厚的1/4，以免加大壩肩剪應(yīng)力，折縫轉(zhuǎn)角θ為30～60°左右，彎折段長度與徑向段長度相近?？p邊部布置升漿管和出漿盒，以便在上游壩面部位混凝土降溫后進(jìn)行灌漿，連成整體。所述的縫端埋設(shè)的止裂材料如鋼材等，可增大韌性，阻止裂縫發(fā)展。
所述的人工徑向縫，其徑向長度為1米～2米，縫端區(qū)埋設(shè)止裂材料，阻止裂縫發(fā)展。
所說的混凝土墊座可增長壩體混凝土與巖石的接觸面，使巖石受力均勻，增強(qiáng)基礎(chǔ)面的抗剪能力，也能增加上游抗繞流能力，便于埋設(shè)人工折縫的預(yù)埋件，改善有效傳力斷面。
所說的拱肩下游貼角可補(bǔ)償由于人工折縫徑向段削弱的壩體厚度，增強(qiáng)壩肩抗剪能力。
所述的人工徑向縫采用浸涂瀝青木板制作，當(dāng)浸涂瀝青木板兩邊的變態(tài)碾壓混凝土自然冷卻后可形成永久短縫，縫內(nèi)不灌漿，可釋放拱壩下游面施工期和運(yùn)行期的溫度應(yīng)力及運(yùn)行期的水荷應(yīng)力，縫端部設(shè)止裂材料，可防止縫向壩內(nèi)延伸。
本發(fā)明的作用及效果碾壓混凝土拱壩通倉澆注后，由于大面積水化熱溫升的影響，拱壩內(nèi)部混凝土溫度較高，而表層混凝土受環(huán)境因素影響溫度較低，這就形成較大的內(nèi)外溫差拉應(yīng)力，用高摻粉煤灰低熱混凝土可以降低溫差應(yīng)力。設(shè)上游壩肩人工折縫可以將壩肩上游部位的拉力區(qū)轉(zhuǎn)移到內(nèi)部縫端，用折縫把縫端轉(zhuǎn)入低應(yīng)力區(qū)，也可減小縫和內(nèi)部主拉應(yīng)力方向的交角，以削減縫端斷裂能，在縫端區(qū)埋設(shè)止裂材料，可防止縫向壩內(nèi)延伸。壩肩人工折縫的主要作用是釋放碾壓混凝土拱壩施工期的溫度拉應(yīng)力，到施工末期，水庫蓄水前夕，當(dāng)拱壩上游表層部位溫降后，也可對(duì)人工折縫內(nèi)進(jìn)行灌漿封拱，拱壩整體承受運(yùn)行期水荷的作用，并增加拱壩的穩(wěn)定性。下游人工短縫內(nèi)不灌漿，可承擔(dān)釋放拱冠下游水荷拉應(yīng)力和施工期及運(yùn)行期溫度拉應(yīng)力的作用。
碾壓混凝土拱壩為加快澆注進(jìn)度而不設(shè)橫縫時(shí)，采用壩肩上游人工折縫和拱冠下游人工徑向縫可以有效地釋放施工期大倉面碾壓混凝土的溫度應(yīng)力，施工末期，如果對(duì)壩肩上游人工折縫進(jìn)行灌漿，連成拱壩整體結(jié)構(gòu)，能有效承受水庫蓄水后的水荷作用，并將壩肩推力稍轉(zhuǎn)向上游，增加拱壩拱座的穩(wěn)定性，而拱冠下游的人工徑向短縫不灌漿，這種短縫可以有效地釋放拱冠下游水荷拉應(yīng)力和運(yùn)行期溫降拉應(yīng)力。
本發(fā)明的人工短縫結(jié)構(gòu)適用于月平均氣溫0℃以上地區(qū)的碾壓混凝土拱壩，尤其有充足廉價(jià)粉煤灰、石粉和摻合料供應(yīng)地區(qū)，一般中低型碾壓混凝土拱壩，不需要設(shè)橫縫，可大大加快澆注進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)施工期蓄水，提前發(fā)揮工程效益。


圖1為已有的一種碾壓混凝土重力拱壩溫度誘導(dǎo)縫布置示意圖。
圖2為本發(fā)明的碾壓混凝土拱壩人工短縫構(gòu)造布置示意圖。
圖3為本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖a為拱圈平面示意圖，圖b為拱冠梁斷面示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明提出的碾壓混凝土拱壩人工短縫構(gòu)造如圖2所示，圖中，在拱壩左右壩肩部位設(shè)人工折縫211和212，徑向長度為1.0米～1.5米，一般不應(yīng)超過壩厚的1/4，以免加大壩肩剪應(yīng)力，折縫轉(zhuǎn)角θ為30～60°左右，折縫長度與徑向相近。在人工折縫的上游面設(shè)止水231和232，縫內(nèi)設(shè)排水管241和242，縫邊部布置升漿管和出漿盒251和252，以便在上游壩面部位混凝土降溫后進(jìn)行灌漿，連成整體?？p端區(qū)埋設(shè)止裂材料261和262，以增大韌性，阻止裂縫發(fā)展。
在拱壩下游拱冠拉力區(qū)設(shè)人工直縫221、222和223，徑向長度為1米～2米，短縫用浸涂瀝青木板制成，縫端區(qū)埋設(shè)止裂材料263、264和265，阻止裂縫發(fā)展。
混凝土墊座壩體采用全倉面的碾壓混凝土材料R11，在兩壩肩改用常態(tài)混凝土或變態(tài)混凝土的墊座R21和R22，以增長壩體混凝土與巖石的接觸面，使巖石受力均勻，增強(qiáng)基礎(chǔ)面的抗剪能力，也能增加上游抗繞流能力，便于埋設(shè)人工折縫的預(yù)埋件，改善有效傳力斷面。
拱肩下游貼角在拱肩下游設(shè)碾壓混凝土材料的貼角R31和R32，以補(bǔ)償由于人工折縫徑向段削弱的壩體厚度，增強(qiáng)壩肩抗剪能力。
浸涂瀝青木板當(dāng)浸涂瀝青木板兩邊的變態(tài)碾壓混凝土自然冷卻后可形成永久短縫，縫內(nèi)不灌漿，可釋放拱壩下游面施工期和運(yùn)行期的溫度應(yīng)力及運(yùn)行期的水荷應(yīng)力，縫端部設(shè)止裂材料，可防止縫向壩內(nèi)延伸。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種碾壓混凝土拱壩人工短縫構(gòu)造實(shí)施例如圖3所示，本實(shí)施例是在溫帶地區(qū)(年平均氣溫為18.2℃)修建的碾壓混凝土薄拱壩，壩高63.5米，壩底厚12米，厚高比0.189，壩體平面為單心園拱壩，為便于碾壓混凝土施工，上游壩面無倒坡，最大中心角114°，壩頂弧長95.5米。該碾壓混凝土薄拱壩的水泥(425#)用量較少，水化熱溫升較低(約11℃～12℃)，在低溫季節(jié)用較低的入倉溫度進(jìn)行整體式大倉面澆注碾壓。壩體采用人工短縫結(jié)構(gòu)。典型拱圈平面及拱冠斷面示意如附圖3。
在拱壩左右壩肩上游設(shè)兩條人工折縫411和412，徑向長度為1.5米，折縫長度2.0米。本實(shí)施例折縫的折轉(zhuǎn)角度為45°，不設(shè)縫時(shí)，壩肩上游部位受水荷時(shí)的第一主拉應(yīng)力為3.9MPa，而設(shè)45°的折縫后上述對(duì)應(yīng)部位的第一主拉應(yīng)力下降為0.3MPa，沿厚度方向斷面上的主拉應(yīng)力值都在混凝土抗拉允許值以內(nèi)，折縫縫端附近為1.4MPa，是安全的。綜合考慮施工期溫度徐變應(yīng)力以及從施工末期溫度下降到運(yùn)行期變溫場(chǎng)的應(yīng)力(三月份拉應(yīng)力最大)，由于內(nèi)部總降溫值較大，拉應(yīng)力場(chǎng)加大，這種情況下設(shè)置人工折縫仍對(duì)消除溫降所帶來的拱壩上游面距壩肩5米寬范圍內(nèi)的拉應(yīng)力有明顯效果。在左右壩肩人工折縫的上游面設(shè)止水431和432及排水441和442。折縫內(nèi)布置了升漿管和出漿盒451和452，在大壩水庫蓄水前夕及部分蓄水時(shí)進(jìn)行了灌漿，使拱壩連成整體，有利于承受水壓荷載，并改善了拱座的穩(wěn)定安全性。縫端布置了槽鋼16號(hào)作為止裂裝置461和462，以增大韌性，阻止裂縫發(fā)展。
在拱壩下游拱冠拉力區(qū)設(shè)置了三條間距4.5米、徑向長度1.5米～2米的徑向短縫421、422和423，短縫用浸涂瀝青模板制成。在水壓作用下，縫的長度影響大，下游壩面第一主拉應(yīng)力值由無縫時(shí)的2.0MPa降至縫長2米時(shí)的0.5MPa以下，徑向斷面的最大主拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)移，最大值由無縫的1.6MPa下降為1.2MPa。
混凝土墊座壩體采用全倉面的碾壓混凝土材料R41，在兩壩肩改用常態(tài)混凝土或變態(tài)混凝土的墊座R51和R52，以增長壩體混凝土與巖石的接觸面，使巖石受力均勻，增強(qiáng)基礎(chǔ)面的抗剪能力，也能增加上游抗繞流能力，便于埋設(shè)人工折縫的預(yù)埋件，改善有效傳力斷面。
拱肩下游貼角在拱肩下游設(shè)碾壓混凝土材料的貼角R61和R62，以補(bǔ)償由于人工折縫徑向段削弱的壩體厚度，增強(qiáng)壩肩抗剪能力。
浸涂瀝青木板當(dāng)浸涂瀝青木板兩邊的變態(tài)碾壓混凝土自然冷卻后可形成永久短縫，縫內(nèi)不灌漿，可釋放拱壩下游面施工期和運(yùn)行期的溫度應(yīng)力及運(yùn)行期的水荷應(yīng)力，縫端部設(shè)止裂材料，可防止縫向壩內(nèi)延伸。
應(yīng)力集中區(qū)尤其縫端計(jì)算應(yīng)力值在相對(duì)比較時(shí)才有意義，縫端的破壞能可由距縫端已知點(diǎn)坐標(biāo)及其位移場(chǎng)(或應(yīng)力場(chǎng))直接求得應(yīng)力強(qiáng)度因子，通常用縫面結(jié)點(diǎn)位移差計(jì)算斷裂能精度較好。該拱壩應(yīng)力計(jì)算的縫端單元尺寸減小到0.5米，環(huán)繞縫端的四個(gè)三維等參元中，取含縫的上下單元縫面結(jié)點(diǎn)的位移值，可以求得縫端的三個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI、KII和KIII。人工短縫縫端埋設(shè)槽鋼止裂，其止裂效果曾用三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)槽鋼比不設(shè)的最大承載力增加25～30％；斷裂能增大23～30％；無槽鋼時(shí)從縫端開裂，而有槽鋼時(shí)裂縫繞過槽鋼從槽鋼的側(cè)面開裂；含縫截面由于有止裂槽鋼變得不再是薄弱面，即比無短縫的斷面抵抗能力更強(qiáng)。
該拱壩工程壩體的實(shí)測(cè)溫度分布與計(jì)算預(yù)測(cè)相近(誤差小于1.0℃～1.5℃)，薄拱壩溫度下降到穩(wěn)定變場(chǎng)后，壩體未出現(xiàn)徑向約束裂縫。
權(quán)利要求
1.一種碾壓混凝土拱壩人工短縫結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括在碾壓混凝土拱壩的左右壩肩上游設(shè)置人工折縫，在人工折縫的上游面設(shè)止水，縫內(nèi)設(shè)排水管，縫邊部布置升漿管和出漿盒，縫端設(shè)有止裂材料；拱壩的下游拱冠拉力區(qū)設(shè)有人工徑向縫，縫端設(shè)止裂材料，所說的止裂材料的彈性模量大于200000Mpa。
2.如權(quán)利要求1所述的碾壓混凝土拱壩人工短縫結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的人工折縫的徑向段長度為1.0米～1.5米，折縫轉(zhuǎn)角θ為30～60°左右，彎折段長度與徑向段長度相近。
3.如權(quán)利要求1所述的碾壓混凝土拱壩人工短縫結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的人工徑向縫，其徑向長度為1米～2米。
4.如權(quán)利要求1所述的碾壓混凝土拱壩人工短縫結(jié)構(gòu)，其特征在于，在左右壩肩采用常態(tài)混凝土或變態(tài)混凝土的墊座。
5.如權(quán)利要求1所述的碾壓混凝土拱壩人工短縫結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括在左右壩肩下游設(shè)同壩體碾壓混凝土材料的貼角。
全文摘要
本發(fā)明屬于水利工程技術(shù)領(lǐng)域,包括在碾壓混凝土拱壩的左右壩肩設(shè)人工折縫,縫內(nèi)設(shè)止水、排水和灌漿系統(tǒng),縫端設(shè)止裂材料;在拱壩的下游拱冠設(shè)人工徑向短縫,縫端設(shè)止裂材料。本發(fā)明能有效地釋放大壩施工期大倉面碾壓混凝土的溫度應(yīng)力、運(yùn)行期拱壩的溫降拉應(yīng)力及水荷拉應(yīng)力,如果在施工末期對(duì)壩肩人工折縫進(jìn)行灌漿,還能改善拱座的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)E02B7/12GK1336466SQ0114203
公開日2002年2月20日 申請(qǐng)日期2001年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月7日
發(fā)明者劉光廷, 張富德, 謝樹南, 李鵬輝, 陳鳳岐 申請(qǐng)人:清華大學(xué)