一种利用拱坝上游倒悬度分析进行施工控制的方法与流程

本发明属于混凝土坝设计和建设技术领域，具体涉及一种利用拱坝倒悬度分析进行施工控制的方法。

背景技术：

拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。为充分发挥坝体混凝土材料抗压强度高抗拉强度低的特点，拱坝除在水平面上设计成拱形外，在竖直平面上有以下特点：在坝体中下部倾向上游，至一定高程后再倾向下游。现有特高拱坝施工期长，如西南地区特高拱坝施工期普遍在3年以上，坝体在很长一段时间内处于施工期应力状态，保证该阶段应力安全对于拱坝后期运行安全至关重要。在拱坝施工过程中，只要已浇筑坝体重心在建基面中心点上游，随着高度升高和自重加大，大坝会持续向上游变形，坝趾部位受力状态会不断趋于受拉，如叠加寒冷季节或气温骤降引起的表面拉应力等，下游面有较大的开裂风险。如奥地利科尔布莱恩拱坝在施工过程中，由于上游面倒悬较大，在拱坝下游面出现了裂缝，使大坝承载能力下降。因此大坝施工过程中，需要严格控制大坝上倾程度，防止下游面拉裂，具体可采取措施包括上游面进行堆渣，抑制向上游变形；水库提前充水，利用向下游的水推力削减或者抵消向上游的变形。但何时进行上游面堆渣以及何时充水，需要进行时机判断，若堆渣及充水过早，可能会对拱坝形成压缝效应，不利于封拱灌浆；若堆渣及充水过晚，可能在下游面已产生较大的拉应力，对大坝安全不利。时机选择一般采用全坝全过程仿真分析方法，但存在计算过程复杂、计算难度大、一般人员难以掌握的特点。

拱坝一般将上游面高度方向的坝面坡比或斜率定义为倒悬度，在坝体上游面倾向上游时斜率小于0，转折点等于0，倾向下游则大于0。该倒悬度分析方法对运行期坝体设计是适用的，但用于施工过程控制则存在较大问题。在施工过程中，尽管坝面倒悬度已等于0或略大于0，但坝体重心仍将在建基面上游，坝趾拉应力可能继续加大，但现有倒悬度分析方法无法反映这种特点，需要提出一种可以有效反映大坝施工期应力变化特点的倒悬度分析方法。

技术实现要素：

本发明的目是提供一种有效反映大坝施工期应力变化特点的倒悬度分析方法，为施工期安全控制提供依据。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：

一种利用拱坝上游倒悬度分析进行施工控制的方法，它包括如下步骤：

步骤1，在拱坝横缝分缝基础上，将各坝段在高度方向上水平分层，共n层；

步骤2，以各坝段底面顺河向中心点为0点，按照坝体混凝土密度相同，分别求出每个坝段第1～n个分层的重心；

步骤3，在得到坝段任意分层i重心基础上，计算得出施工至第i层时1～i层结构的重心，该重心点与坝段建基面0点水平距离和竖向距离分别为δl1-i和δh1-i，定义坝段i层倒悬度为α＝δl1-i/δh1-i；

步骤4，采用力学方法或数值方法，计算每个坝段浇筑至第i个分层时坝趾部位竖向应力σi；

步骤5，建立每个坝段浇筑至i层时倒悬度α与坝趾部位竖向应力σi的关系式或关系曲线；

步骤6，在施工过程中，根据实际浇筑高度进行判断，如坝趾竖向应力为压，则正常，如坝段坝趾竖向应力超过允许强度，则应进行上游堆渣和充水应对措施。

所述步骤4中坝趾竖向应力采用材料力学公式计算，具体为：

式中：σ为坝趾竖向应力；g为重力；l为坝底宽度。

所述步骤6中，允许强度可采用混凝土强度试验确定，或按照规范要求确定。

本发明有如下有益效果：

通过采用本发明的拱冠梁分析结果来判定大坝施工过程中坝趾受力状态，一旦坝段中存在坝趾受拉状态时，则在大坝上游及时堆渣或预充水，防止倒悬造成下游面的拉裂破坏。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的坝体某坝段剖面。

图2是本发明的坝体某坝段分层之后各分层重心确定示意图。

图3是本发明的坝段i-1层倒悬度计算过程示意图。

图4是本发明的每个坝段倒悬度α与坝趾部位竖向应力σi的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-4，一种利用拱坝上游倒悬度分析进行施工控制的方法，它包括如下步骤：

步骤1，在拱坝横缝分缝基础上，将各坝段在高度方向上水平分层，共n层；

步骤2，以各坝段底面顺河向中心点为0点，按照坝体混凝土密度相同，分别求出每个坝段第1～n个分层的重心；

步骤3，在得到坝段任意分层i重心基础上，计算得出施工至第i层时1～i层结构的重心，该重心点与坝段建基面0点水平距离和竖向距离分别为δl1-i和δh1-i，定义坝段i层倒悬度为α＝δl1-i/δh1-i；

步骤4，采用力学方法或数值方法，计算每个坝段浇筑至第i个分层时坝趾部位竖向应力σi；

步骤5，建立每个坝段浇筑至i层时倒悬度α与坝趾部位竖向应力σi的关系式或关系曲线；

步骤6，在施工过程中，根据实际浇筑高度进行判断，如坝趾竖向应力为压，则正常，如坝段坝趾竖向应力超过允许强度，则应进行上游堆渣和充水应对措施。

所述步骤4中坝趾竖向应力采用材料力学公式计算，具体为：

式中：σ为坝趾竖向应力；g为重力；l为坝底宽度。

所述步骤6中，允许强度可采用混凝土强度试验确定，或按照规范要求确定。

本发明有如下有益效果：

通过采用本发明的倒悬度分析结果来判定大坝施工过程中坝趾受力状态，一旦坝段中存在坝趾应力超过允许强度，则在大坝上游及时堆渣或预充水，防止倒悬造成下游面的拉裂破坏。

实施例2：

某拱坝，坝高270m，底宽50m，坝顶宽度12m，共15个坝段，主要浇筑层厚度为3m和4.5m，在坝段底部也存在6m层厚，共800多仓，坝体混凝土容重为2400t/m³。坝体拱冠梁坝段剖面如图1所示。

步骤1，对拱坝15个坝段在高度方向上水平分层，每层3m，其中拱冠梁坝段270m高，共90层，分层示意如图1，其它14个坝段采用同样方法进行分层；

步骤2，以拱冠梁坝段底面顺河向中心点为0点，按照坝体混凝土密度相同，求出拱冠梁坝段第1至第90个分层的重心，如图2；

步骤3，得到坝段任意分层i重心基础上，计算得出施工至第i层时1～i层结构的重心，该重心点与坝段建基面0点水平距离和竖向距离分别为δl1-i和δh1-i，如图3，定义坝段i-1层倒悬度为α＝δl1-i/δh1-i，可采用力学方法、几何方法和数值分析方法；

步骤4，采用力学方法或数值方法，计算每个坝段浇筑至第i个分层时坝趾部位竖向应力σi，拱冠梁坝段浇筑至150m和180m时，坝趾应力基本等于0，150～180m之间坝趾为拉应力，其它浇筑高度范围内坝趾为压应力；

步骤5，建立每个坝段倒悬度α与坝趾部位竖向应力σi的关系式或关系曲线，如图4，其中坝趾应力在α轴以上为拉应力，即150～180m高度时；

步骤6，根据上述拱冠梁分析结果，同时结合其它14个坝段结果，判定大坝施工过程中坝趾受力状态，一旦15个坝段中存在坝趾受拉状态时，则在大坝上游及时堆渣或预充水，防止倒悬造成下游面的拉裂破坏。