碾压混凝土拱坝分缝防裂设计关键问题研究

坝，最后应用到薄拱坝。诱导缝在重力坝中主要是 引导开裂，释放温度应力。在拱坝中，除上述作用 以外，还要进行传力，即释放应力同时又传递力， 后者对拱坝而言，更为重要 。但在实际工程中， 很 多 RCC 拱 坝 并 未 张 开 ， 甚 至 在 未 设 缝 位 置 出 现
［3］
诱导缝
诱导缝
裂缝 裂缝
裂 缝 ， 例 如 我 国 西 南 地 区 某 RCC 拱 坝 ， 在 蓄 水 前 坝体出现了类似裂缝 （见 图 2） ，诱导缝的实际诱导 开裂作用并未达到设计预期，甚至还带来一些附加 归结未张开的原因，可归结如下 4 个方面原因。 效 应 。 综 合 我 国 RCC 拱 坝 诱 导 缝 实 际 张 开 情 况 ，
导缝布置不当影响最大。在此基础上，重点讨论 RCC 拱坝诱导缝防裂设计中的几个关键问题，即诱 导缝力学及数值计算模型改进、基于整坝全过程仿真分析技术的诱导缝防裂设计方法、诱导缝布置 及缝面结构型式等问题。
收稿日期： 2017-11-03 ；网络出版日期： 2018-02-08
网络出版地址： http ：//kns. cnki. net/kcms/detail/11.1882. TV.20180208.0945.001.html 水利部技术示范项目 （SF-201701）
Φ K1C
λ( α )
（2） （3）
8 4 ζ 5 1 x 图5 三维接触单元
η ξ
α 为诱导缝缝面夹角。
式中： λ ( α )为缝面空间形态影响因子，具体取值见图 4； 3.2 数 值 计 算 模 型 —— 带 开 闭 迭 代 功 能 的 接 触 单 元
［19 ］
3
7
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yቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6
2
从数值模拟角度来看，诱导缝可视为一种接触面 ，该 接触面在外界荷载作用下可能发生张开 、 闭 合 、 滑 移 等 现象。从诱导缝受力机理来看，诱导缝张开之前，
1
研究背景
自我国开始建设碾压混凝土 （RCC） 坝以来，建坝数量不断增长，目前大多数混凝土坝都采用了
［1］
RCC 筑 坝 技 术 （见 图 1） 。 根 据 MD&A 碾 压 混 凝 土 大 坝 数 据 库 中 的 数 据 ， 截 至 2016 年 12 月 ， 我 国 已 建、在建 RCC 坝 189 座，其中重力坝 135 座，重力拱坝 8 座，薄拱坝 46 座 。早期 RCC 拱坝多采用简 单线型、厚拱坝的体型，近期逐渐向双曲拱坝转变，目前我国已建、在建 RCC 拱坝绝大多是双曲拱 及动态性等特点，主要体现在大坝施工初期诱导缝未开裂前可传递力的作用，使得施工初期坝体自 重参与拱梁分载；坝段长度较长，施工期水化热温升部分代入到运行期，影响到最终的拱坝应力状 态。因此，作为 RCC 拱坝防裂技术的关键 ——诱导缝设计就显得尤为重要。目前，横缝、诱导缝布 拱坝并未张开甚至在未设缝位置出现裂缝，诱导缝实际诱导开裂作用并未达到设计预期，甚至还带 来一些附加效应 。 张 开 原 因 归 结 为 诱 导 缝 布 置 不 当 、 RCC 拱 坝 温 度 自 身 特 点 、 现 有 施 工 方 式 及 成 缝 方 式 等 ， 其 中 以 诱 本文基于我国 RCC 拱坝诱导缝实际张开情况，结合 RCC 拱坝应力分布特点以及演化规律，将未
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碾压混凝土坝数量
60 50 40 30 20 10 0 1986 以前 1987 — 1991 图1 1992 — 1996 1997 — 2001 年度 2002 — 2006 2007 — 2010 2011 — 2018
我国碾压混凝土坝数量增长趋势
2
诱导缝未张开原因分析
诱导缝最早应用到重力坝，而后应用到重力拱
［ 20］
，即带开闭迭代功能的接触单元，更加
真实地模拟诱导缝的工作性态，特别是诱导缝的开闭状态及其张开后的传剪作用。 接触面可采用无厚度、带初始强度的 Goodman 单元进行模拟 （详见图 5） ，即：
ìΔ u ü îΔ w þ
［18］
，以反映缝面形态对等效强度的影
0.0
5.0 图4
10.0
响，具体见下式：
不同缝面夹角下的缝面空间形态影响因子
缝面夹角 α（ / ʎ）
15.0
20.0
25.0
30.0
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feq =
λ ( α ) = 0.0002 α + 0.0019 α + 1.0026
2
λ π (a + r0 )
（1）
互作用； r 0 为与混凝土应变软化区尺寸有关的参数； ft 为抗拉强度； Φ 为第二椭圆积分；θ 为 方 向 角 ， 、张小刚等
［ 9］
、刘海成等
［ 10］
、黄志强等
［ 11］
和王学志等
［ 12］
论
［ 13］
， 开 展 了 不 同 工 况下的诱导缝断裂破坏试验，从诱导板类型、试件尺寸效应、边界效应、裂纹
元模拟，破坏准则采用等效强度理论，基于整坝全过程仿真分析技术开展诱导缝防裂设计，是行之有效的方法； 根据仿真结果进行坝体分缝布置、缝面结构型式等研究，可使诱导缝按设计要求张开，起到释放温降引起的拉应 力的作用，保证坝体混凝土的施工质量。 关键词： RCC 拱坝；防裂设计；诱导缝；等效强度 中图分类号： TV642.4 文献标识码： A doi： 10.13243/j.cnki.slxb.20171070
况，适当扩大诱导预制件长轴的初始长度，以增加开裂几率。
3
诱导缝力学及数值计算模型
严格来讲，诱导缝开裂问题是一个三维断裂问题 。由于目前断裂力学数值分析方法的局限性，
［5］
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在对 RCC 拱坝进行整坝全过程仿真分析时难以对诱导缝本身复杂的应力及应力强度因子进行精细化 度” 判断。 3.1 力学分析模型——等效强度模型及改进 为研究诱导缝开裂破坏及其合理布置问题，曾昭扬等
［ 8］
Φ K1C ì f = ï ï eq λ π a + r ( 0) ï ï ï ï ï 2 b tan π ( a + r 0 ) ïλ = ï 2b π (a + r0 ) ï í 2 ï ï 1 æ K1C ö r = ï ï 0 π ç ft ÷ è ø ï ï 1 2 π 2 ï 2 ï æ 2 2 ö a ï ïΦ = ç sin θ + 2 cos θ ÷ d θ c ø 0 è î
基于混凝土双 K 断裂理
有效扩展量以及混凝土名义断裂韧度等方面对诱导缝等效强度理论进行修正，但上述对诱导缝等效 响。诱导缝开裂问题，严格来讲是一个三维断 裂问题，因此，需要从三维角度来分析不同空 间缝面形式下诱导缝受力情况，研究不同缝面 形式诱导缝结构的开裂效果。本文基于三维虚 拟裂纹闭合技术
［14-17］
［2］
坝 体 型 。 由 于 浇 筑 方 式 及 成 拱 方 式 与 常 态 混 凝 土 拱 坝 不 同 ， RCC 拱 坝 工 作 性 态 具 有 复 杂 性 、 多 变 性
置 通 常 放 在 一 起 讨 论 ， 利 用 各 自 不 同 构 造 特 点 ， 起 到 协 同 防 裂 的 效 果 。 但 在 实 际 工 程 中 ， 很 多 RCC
水
2018 年 3 月 文章编号： 0559-9350 （2018） 03-0343-10
利
SHUILI
学
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报
第 49 卷 第3期
碾压混凝土拱坝分缝防裂设计关键问题研究
李海枫，杨 波，张国新，徐秀鸣
（中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038）
摘要： 在实际工程中，很多碾压混凝土 （RCC） 拱坝并未张开甚至在未设缝位置出现裂缝，诱导缝实际诱导开裂作 坝温度应力具有复杂性、多变性、动态性等特点，拱坝防裂设计特别是诱导缝布置方面必须真实反映坝体从施工
基金 项 目：国家自然科学基金项目 （51779276， 51579252， 51779277） ；中国水科院科研专项 （SS0145B122018， SS0145B932017） ； 作者简介：李海枫 （1979-） ，河南杞县人，博士，高级工程师，主要从事碾压混凝土拱坝结构研究。 E-mail： lihfdlut@126.com
o
切缝部位受拉时张开两侧混凝土不相接触，受压时挤紧可传递压力，未切缝部位与普通混凝土部 位相同；张开之后则沿整个诱导缝断面只传压或压剪力，不传拉。从诱导缝开合状态来看，诱 导缝在外荷载作用下，可能发生张开、闭合和滑移状态的相互交替。因此，需要在接触单元基 础上引入接触边界模型可模拟接触面开合状态的性能
用 并 未 达 到 设 计 预 期 ， 甚 至 还 带 来 一 些 附 加 效 应 。 归 结 未 张 开 原 因 ， 以 诱 导 缝 布 置 不 当 影 响 最 大 。 由 于 RCC 拱 期到运行期全过程的工作性态。实际工程应用成果表明： RCC 拱坝诱导缝及横缝采用带开 - 闭迭代功能的接触单
［7］
计算，而是将诱导缝进行概化处理，即采用带开闭迭代功能的接触单元模拟，破坏准则采用 “等效强
［6］
在 “八 五 ” 及 “九 五 ” 攻关期间，将诱导缝简化为无限大板穿透模型和无限大体深埋椭圆裂缝模型，根 据断裂力学理论提出了诱导缝的等效强度模型 （见图 3） 。经张小刚等 研究，这两种计算模型得到的 诱导缝等效强度相差不大。由于无限大体深埋椭圆裂缝模型能够同时考虑相邻诱导缝短轴方向的影 于无限大体深埋椭圆裂缝的诱导缝等效强度计算模型，详见式 （1） 。
诱导缝断面 2a
σ
响及远场应力和诱导缝短轴有效裂缝长度这两个因素，目前，诱导缝等效强度计算公式大都采用基
诱导缝断面
2d 2b
2c
2a
σ σ
2a
2w 2w
σ
σ
2d 2b
2a
2c
2a
σ
（a） 计算简图
（b） 无限大板穿透裂缝模型 图3 诱导缝计算模型
（c） 无限大体深埋椭圆裂缝模型
式中： feq 为诱导缝等效强度； K1C 为混凝土的断裂韧度； λ为修正系数，反映了相邻预留子缝之间的相 以 长 轴 为 起 始 边 ； a 、b 、c 为图 3 所示的预留子缝尺寸与间距。 黄达海等
图2
西南某碾压混凝土拱坝下游坝面裂缝
工时间密切相关，当实际施工进程跟设计计划不一致时，那么坝体实际应力也随之变化，相应诱导 缝 的 布 置 也 要 跟 着 变 化 。 因 此 ， RCC 拱 坝 横 缝 和 诱 导 缝 设 置 位 置 及 缝 间 距 ， 需 要 根 据 坝 的 体 型 、 材 料条件、气象水文及实际施工条件，在仿真分析基础上确定并进行动态调整，缝一般要设在拉应力 寨等拱坝，都在随着施工期变化对设缝位置做过调整。 方式、封拱灌浆温度、封拱灌浆方式以及温控措施方面具有显著特点，以上特点使得 RCC 拱坝温度 （2） 温度应力问题。 RCC 拱坝温度荷载自身特点所致 ，与常态混凝土坝相比， RCC 拱坝在分缝
［4］
（1） 诱导缝设置问题。诱导缝并不是设置在拱坝拉应力最大位置，由于拱坝施工期温度应力与施
最大部位，且保证缝以外部位应力小于混凝土允许拉应力，以避免裂缝产生。如贵州鱼简河、黄花
荷载与常态混凝土坝大不相同，主要体现在温降荷载作用对象的尺度不同以及温降历时不同。由于 RCC 拱 坝 一 般 不 进 行 封 拱 灌 浆 前 的 通 水 冷 却 ， 封 拱 灌 浆 时 坝 体 温 度 一 般 均 高 于 坝 体 多 年 平 均 温 度 ， 封 拱 蓄 水 后 ， RCC 拱 坝 还 会 有 较 大 幅 度 的 温 降 ， 这 部 分 温 降 将 全 部 转 化 为 温 度 荷 载 并 由 坝 体 承 担 ， 但是由于水压作用，拱坝一般呈压紧状态，横缝或诱导缝不会完全张开，仅在低水位低温季节坝上 部会贯穿性张开，而下部会一直是压紧状态。 致诱导缝强度增加，张开可靠性降低。 （3） 施工方式问题。现有施工方式很难保证诱导缝预制件内不会出现串浆或跑浆的现象，进而导 （4） 诱导缝成缝方式问题。现有诱导缝的成缝方式需要进行改进，在确保总体削弱度不变的情 以上原因中，以诱导缝布置不当影响最大。
缝面空间形态影响因子 λ （α）
强度模型的修正并未考虑缝面空间形态的影
1.30 1.25 1.20 1.15 1.10 1.05 1.00
λ （α） =0.0002 α2 + 0.0019 α + 1.0026 R2 + 0.9995
探讨不同荷载条件下缝面
断裂参数变化规律，并在已有的诱导缝等效强 度模型基础上，提出增加缝面空间形态影响因 子一项