改善沥青混凝土心墙坝受力特性的措施研究

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沥青混凝土心墙堆石坝是土石坝的主要坝型之一,然而传统沥青混凝土心墙坝中心墙和坝壳沿坝轴线方向均是直线型,因此运行期,在指向下游的水平水压力推动下,心墙轴线会产生伸长变形,心墙内部必然产生拉应力区域,这样会很容易引起心墙水力劈裂破坏,危害坝体安全,因此为了减小甚至消除心墙内部的拉应力区以提高坝体的稳定性,很有必要研究改善沥青混凝土心墙受力特性的措施。(1)基于小挠度弯曲四边简支矩形薄板重三角级数解、文克尔弹性地基梁解和弹性地基曲梁理论,分别求解直心墙和曲心墙在上游堆石料主动土压力、上游水压力以及下游堆石料被动土压力作用下,心墙的挠曲变形解析解以确定心墙内部的受力状态。研究结果表明,直心墙在上游顺河向水压力的推动作用下,直心墙产生指向下游的挠曲变形,其轴线伸长,心墙内部除压应力外必然产生拉应力;而曲心墙在上游顺河向水压力的推动作用下,其轴线缩短,也就是说曲心墙整体受压,进而说明其内部拉应力减小甚至是消除,有利于坝体稳定。(2)针对直坝直心墙坝型即传统沥青混凝土心墙坝,研究不同沥青混凝土心墙弹性模量与堆石料弹性模量比值,心墙在水平水压力的推动作用下,心墙的位移与应力变化特性及其分布规律。研究结果表明,当沥青混凝土心墙弹性模量很小时,心墙受力后其应力集中很弱,即软心墙具有一定的应力释放能力,心墙内部几乎全为压应力,但随着心墙弹性模量的增大,心墙应力集中增强,沥青混凝土心墙顶部近下游面区域逐渐出现拉应力,且沥青混凝土心墙弹性模量与堆石料弹性模量比值越大,拉应力值以及拉应力区域也越大。(3)选取沥青混凝土心墙弹性模量10倍于堆石料弹性模量,针对三种新坝型即直坝曲心墙(心墙曲率k=8.27×10-4)、曲坝曲心墙(坝体曲率k=8.27×10-4)和曲坝曲心墙(坝体曲率k=2.46×10-3)坝型,研究心墙不同起拱弧度,在上游水平推力作用下,曲心墙的位移与应力变化特性,并加以确定何种坝型对改善心墙受力特性的效果最为显著。研究结果显示,直坝曲心墙(心墙曲率k=8.27×10-4)、曲坝曲心墙(坝体曲率k=8.27×10-4)坝型对减小沥青混凝土心墙内部的拉应力以及拉应力区域均有一定效果,但因心墙起拱弧度不够,因此对改善心墙的受力特性效果不是特别明显,曲坝曲心墙(坝体曲率k=2.46×10-3)对减小沥青混凝土心墙中的拉应力和拉应力区域效果十分显著,在上游水平水压力推动下,心墙整体受压几乎没有拉应力的存在,同时还能够消减心墙底部的应力集中现象和拱效应。
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