第７卷第６期 南水北凋与水利科技 ＶｏＬ７ Ｎｏ．６ ２００９年１２月 ｕｔｈ ｔＯ Ｎｏｒｔｈ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｅ．２００９ ｄｏｉ：１０．ａ９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—１６８３ ２００９ ０６．０３３ 丹江口大坝结合面性状对安全度影响研究 周秋景 ，汝楠 ，朱乃榕。，杨 波 （１．中国水利水电科学研究院结构材料所，北京１０００３８； ２．水利部国际合作与科技司，北京１０００５３；３．南京市政设计研究院责任有限公司，南京２１０００８） 摘要：在大坝加高中，新老混凝土结合面作为一个结构薄弱面，施工运行中难免产生开裂现象。为了评价开裂对坝体 安全的影响，采用非线性数值分析方法，研究了结合面开裂比例、结合面抗拉和抗剪强度参数等对结构安全的影响。 分析结果显示，随着开裂比例增大，结构安全度逐渐减小，但脱开比例变化影响越来越小；结构安全度受未裂结合面抗 拉强度、开裂后接触摩擦系数等影响明显，给出了变化规律，提出了建议。 关键词：安全度；大坝加高；结合面；强度参数 中图分类号：ＴＶ５４４．９２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１６８３（２００９）０６—０１３６—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｎ Ｄａｍ Ｓａｆｅｔｙ ＺＨＯＵ Ｑｉｕ ｊｉｎｇ ，ＲＵ Ｎａｎ ．ＺＨＵ Ｎａｉ ｒｏｎｇ。，ＹＡＮＧ １３ｏ （１．（￣ｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ０ｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ＢｅＯｉｎｇ １０００３８，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｄｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００５，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｊ ｔｈｅ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａ哪ｉｎｇ ２１０００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｒａｃｋｓ ｗｉｌｌ ａｐｐｅａｒ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅａｋ ｏｌｄ—ｎｅｗ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ｏｎ ｈｅｉｇｈｔｅｎｅｄ ｄａｍｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅ— ｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ Ｏ１７１ ｄａｍ ｓａｆｅｔｙ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｒａｃｋ ｒａｔｉｏ，ｔｅｎｓｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｄａｍ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｒａｔｉｏ ｃｈａｎｇｅ ｏｎ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｗｉｌｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｒａｔｉｏ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｗａｓ ａｌｓｏ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｂｙ ｔｅｎｓｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅｓ ａｎｄ ａｄｖｉｃｅｓ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ；ｄａｍ ｈｅｉｇｈｔｅｎｉｎｇ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｌ 引言 和安全状态的改变。 对于如何减轻或者防止结合面开裂，目前已有研究者做 随着水电建设的持续进行，适合建坝坝址逐渐减少，坝体 了大量有价值的工作，如工程措施方面包括做好老混凝土碳 维护和加高是未来大坝建设的重要任务之一，如美国圣维森 化层处理、结合面布置键槽和插筋、加大贴坡混凝土厚度减少 特坝Ｌ 、日本三鹰坝 一、国内的松月碾压混凝土坝Ｅ３３。在混凝 年气温变化影响、加大混凝土施工期温控措施以及开裂结合 土坝加高过程中或加高后，存在一些关键问题，会影响到结构 面的灌浆等 。理论分析方面包括对已有裂缝大坝加高后 的完整性和安全稳定性，包括新老｝昆凝土结合问题Ｌ４］、坝踵坝 工作性态研究、加高坝体时温度应力研究和坝踵应力情况研 趾应力改变情况 ］、加高后结构水力学性能＿６］、混凝土表面裂 究等［１３ １ ４］，对工程建设和安全运行提供了具体方法和科学依 缝” 等，必须进行慎重考虑和处理，其中新老混凝土结合面开 据。但结合面开裂程度、结合面强度性质等对于加高后坝体 裂是尤为关键的一个问题，迄今为止，国内外重力坝加高工程 安全影响的研究相对较少，本文结合丹江口大坝加高工程，以 在不同程度上都存在新老混凝土结合面开裂问题，主要原因 其中一个挡水坝段为例，采用非线性分析方法研究结合面不 在于新老混凝土之间存在温度差，导致坝体变形不协调，引起 同开裂程度、结合面不同抗拉强度和结合面开裂后接触摩擦 法向应力过大，从而使得结合面开裂，并导致大坝变形、应力 系数对结构安全的影响。 收稿日期：２００９ １０—３１ 修回日期：２００９ ｕ一３Ｏ 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重点项目（２００６ＢＡＢ０４Ａ０１） 作者简介：周秋景（１９７９），男，山东菏泽人，工程师，博士，主要从事水工结构数值分析研究方面的工作。 ．１３６． 鬻 ３弹＾ 赫辩 ８ ＿研。竞 ｝＆ 周秋景等・丹江口大坝结合面性状对安全度影响研究 ２分析方法和条件 ２．１分析方法 通常情况下重力坝安全评价主要考虑坝体沿建基面的抗 滑稳定，而本文主要研究结合面对坝体安全的影响，因此采用 正常水位时水容重超载方法，分析坝体非线性变形情况、结合 面开裂情况和坝体屈服情况等。非线性分析中岩体采用 ＤｒｕｃｋｅｒＰｒａｇｅｒ准则，混凝土采用Ｍｏｈｒ Ｃｏｕｌｏｍｂ准则 一，安 全系数以计算不收敛时水压衙载大小与正常水压荷载大小的 比值确定。 图１为不同开裂比例时坝段顶部上游面中点水压荷载超 载倍数与顺河向位移关系曲线，在前期阶段，曲线基本成直 线，说明结构刚度大成弹性状态；后期在荷载增加不多的情况 下位移急剧增大，说明结构已破坏严重，已不能保持弹性状态 并向一机构发展，显示出明显的非线性性质。对比不同脱开 比例工况，可以看到在新老混凝土完全黏结的情况下，坝体超 载能力最强，随着脱开比例增加，超载倍数逐渐变小，说明新 老混凝土结合面脱开比例对坝体超载能力存在影响，脱开 １Ｏ 和５Ｏ 时最大承载能力分别为２．１５和１．５５。同时对比 各条曲线可知，在脱开比例较小时，脱开程度大小对超载系数 ２．２计算模型和计算条件 整体网格模型均采用六面体单元，其中前后基岩取０．８ 倍坝高，深度取１．０倍坝高。模型共有六面体单元３２ ００４ 影响显著，随着脱开比例增大，脱开程度大小对超载系数影响 逐渐变小。 图２为各种脱开比例下最终破坏时变形示意图，由图可 个，结点３９ ０１３个，接缝单元２ ００４个。模型基础底部边界、 左右两侧边界和前后边界均施加法向约束。 以清楚看出，随着初始开裂比例增大，坝体在承受最大荷载 时，结合面开裂程度越来越大，在初始开裂为４Ｏ 和５Ｏ 时， 结合面最终几乎被全部拉开。初始加载时结合面没有任何部 位裂开的情况下，当荷载不断增加时，在不同高度位置结合面 也会有断断续续的拉开。图３为新老混凝土结合面初始开裂 比例为１Ｏ 时不同水压荷载作用时结构屈服情况，从中可以 超载计算采用水容重超载法，取坝前水位为正常蓄水位，超 载系数为水的计算容重与实际容重之比。在超载计算过程中，计 算步长为０．０５倍水容重。计算工况为自重＋正常蓄水位。 结构材料参数见表１所示。 表１结构材料参数 看出，随着荷载不断增大，坝体和基础屈服区由坝踵部位逐渐 ＿ＪＩ， 尽暑垂基 向坝体顶部、基础底部和下游坝趾方向发展，最终当坝踵屈服 ㈤ 区一直延伸到坝趾，前后贯通时，计算不再收敛，结构完全破 坏，其余工况屈服情况与此类似。 ３不同开裂面积对安全影响分析 本研究以丹江口大坝７号坝段为例，材料参数见表１，自 上部取结合面分别脱开１Ｏ 、１５ 、２Ｏ％、３Ｏ 、４０ 和５０ ， 加载时首先加至正常蓄水位，随后以０．０５倍水容重步长进行 超载，直至坝体屈服破坏，无法收敛。 ０ ５ ０５ｌ １ ５ ２ ２ ５ 【 超载倍数 图１不同开裂比例时水压超载倍数与坝顶顺河向位移曲线 ▲▲▲▲▲▲▲ Ｉ ５％ ２０％ ３０％４０％ 不同脱开比例时最终变形示意图（不同放大倍数） ２倍 】４倍 １ ６倍 １ ８倍 ２ ０倍 ２ １５倍 图３结合面初始开裂１０ 时不同水压荷载下屈服状态图（空白：屈服区） ｜ ≮ 碗 喜 ・１３７・ 第７卷总第４５期・南水北调与水利科技・２００９年第６期 （卷终） ４结合面不同抗拉强度对安全影响分析 ｕｖ潍 世犀娶 瞽野 小时，比例稍有增大，安全度会有较明显变化，随着脱开比例 不断增大，脱开比例的变化对安全度影响逐渐减小。 ②结合面抗拉强度对结构最终承载能力存在影响，抗拉 强度增大时，承载能力随之增加，但增加程度不大。 以结合面自上部脱开３Ｏ 状态为例，未开裂结合面分别 ｍ 取抗拉强度为０．５ ＭＰａ、０．７５ ＭＰａ和１．０ ＭＰａ，其它参数见 表１，进行超载分析，不同结合面抗拉强度时坝段顶部上游面 ③结合面开裂后两侧应存在一定大小的摩擦系数，摩擦 系数大小对结构安全程度影响明显。完全无摩擦系数、摩擦 系数为原摩擦系数０．２５倍和０．５倍时，超载安全系数分别为 １．７５、２．Ｏ５和２．４５，说明结合面之间的摩擦系数对结构安全 中点水压超载倍数与坝顶顺河向位移关系曲线如图４所示。 由图中可知，随着结合面抗拉强度增大，结构整体超载倍数逐 渐增加，三者分别为ｌ＿５５，１．６０和ｌ＿７５，说明结合面抗拉强 度对整体安全度有一定程度影响。 ｌ ｌ ２ ｌ ４ ｌ＿Ｏ Ｉ＿ 超载倍数 图４初始开裂３Ｏ 不同抗拉强度下超载倍数 与坝段顺河向位移曲线 ５结合面开裂后摩擦系数对安全影响分析 在结合面初始开裂３Ｏ 状态下，取结合面开裂后接触 摩擦系数分别为０．０、０．２５和０．５０，进行超载分析，结果如 图５所示，三者超载安全系数分别为１．７５、２．Ｏ５和２．４５， 说明结合面之间的摩擦系数对结构安全性能有非常显著 的影响。 ｛ 蹬 苣 宸 擎 崩 基 嚣 ｌＩ】 １， ２Ｕ ２ ５ 超载倍数 图５初始开裂３Ｏ 不同接触摩擦系数超载倍数 与坝顶最大顺河向位移曲线 ６结论 ①初始脱开比例对坝体最终超载能力存在一定程度的影 响，脱开比例由１Ｏ 增大到２Ｏ 时，安全系数分别减小 １９ ，增大到５０ 时，安全系数减小３Ｏ 。其中脱开比例较 ・１ ３８． 戳 ｜蠢｜ 性能有非常显著的影响。 根据以上分析初步结论，可以得到为增大坝体安全度，新 老混凝土结合面应尽量减小初始开裂比例，同时尽量增大结 合面粗糙程度和抗拉强度，如缝面布置插筋，设置键槽等。 参考文献： Ｅ１］Ｇ．Ｅ．里德，张沙，赵树湘．采用ＲＣＣ加高圣维森特坝ＥＪ３．水 利水电快报，２００４，２５（１７）：１０—１２． Ｅ２３马元埏．三鹰坝的加高改建口］．水利水电快报，２００３，２４（２０）：１－５． Ｅ３］鲁一晖，夏世法，岳跃真，等．松月碾压混凝土坝加高关键技术研 究［Ｊ］．岩土工程学报，２００８，３０（１１）：１６１４—１６１９． Ｅ４３ 肖汉江，崔建华，徐跃之．丹江１３大坝加高工程新老混凝土结合 问题研究ＥＪ３．南水北调与水利科技，２００７，５（５）：８－１１． 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