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随着我国水利水电事业的发展,涌现了一大批已建和待建的高拱坝,现行的设计规范各工程经验已经覆盖不了这些拱坝,因此,开展高拱坝的应用基础研究是非常必要和迫切的。 本文以高305m的锦屏拱坝为工程背景,对高混凝土拱坝存在横缝、水平层缝等强度低于混凝土本体强度的软弱面对高拱坝的承载能力方面的影响进行了研究,因为高拱坝的承载能力和破坏机理是高拱坝设计中的关键问题之一,对它的研究具有重大的现实意义和应用价值。 在结合国家电力公司成都勘测设计院委托的研究项目"高拱坝收缩缝灌浆效果对坝体应力和位移的影响"(项目编号:JP-2002-52)的同时,进行了以下几个方面的研究工作: 1.混凝土水平层缝的本构关系 研究混凝土强度的不均匀性有两层意思,一个是水平施工缝降低层缝的抗拉强度,其二是混凝土本身的浇筑层面所形成的各向异性。这两种混凝土水平层缝在坝体结构上都形成薄弱环节,减小高混凝土拱坝的安全度,也会成为渗漏通道。为此,笔者制作了24块300×300×300mm带水平层缝的混凝土试件,进行劈裂抗拉力学性能的试验,试验结果表明,水平施工缝的平均抗拉强度比混凝土本体平均抗拉强度低约30%;浇筑层面的平均抗拉强度比混凝土本体平均抗拉强度低约24%。也就是说,水平施工缝和浇筑层面均使混凝土产生了各向异性状态,降低混凝土层缝的抗拉强度。 2.水平层缝强度和质量对高拱坝承载能力的影响 建立包含坝体和周围岩体的有限元模型,用三维实体单元较精细地模拟了地基和坝体混凝土。在整体有限元模型基础上,对水平层缝的模拟做了简化处理。为了能够定量分析比较水平层缝强度对坝体的影响,取水平层缝混凝土的抗拉强度分别比坝体本体混凝土相应的指标降低5%、10%、15%、20%。并在此基础上,对水平层缝结合质量的模拟做了简化处理,比较分析了四种水平层缝结合质量(完整坝体、质量较好、质量一般、质量较差)的计算工况。 3.水平层缝的形式和数量对高拱坝结构响应的影响 在整体有限元模型的基础上,分别选取坝体下部▽1626m高程和坝体中部▽1726m高程来模拟水平层缝,分析这两个高程处水平层缝的形式对拱坝结构受力的影响。 4.水平层缝和横缝对高拱坝结构响应的影响 高拱坝在施工中,由于混凝土温控的需要和浇筑能力的限制,不可避免地要设置横缝。这些横缝虽在建坝后期要进行封拱灌浆,使拱坝成为一个整体,但它终究是拱坝中的薄弱部位。横缝的存在,究竟对拱坝的受力状态有何影响是人们一直关注的问题。而且在高拱坝施工过程中,由于立模的需要,每隔3m左右高度将有一条水平层缝,水平层缝使混凝土产生了各向异性状态,降低混凝土层缝的抗拉强度。 结合锦屏高拱坝,对其横缝和水平层缝进行了模拟。研究混凝土高拱坝在自重、水压、温度等荷载作用下,横缝和水平层缝对坝体受力特征影响。 5.水平层缝和横缝对高拱坝破坏机理的影响 采用三维非线性有限元方法,以累计自重和设计水压为基本荷载,研究横缝和水平层缝对高混凝土拱坝破坏机理的影响,着重分析比较完整无缝坝体、坝体只含有水平层缝、坝体同时存在横缝和水平层缝等三种状态下坝体的破坏机理。 最后总结了本文的工作和主要结论,并提出存在的问题和进一步发展的方向。