软弱地基上碾压混凝土柔性拱 【技术领域】
本发明属于水利工程技术领域，特别涉及碾压混凝土筑坝技术
已有技术：
我国需要优质、高速、经济地开发大西北水利资源，因此需要大量在高寒、泥钙质胶结砾岩条件下进行工程建设，碾压混凝土筑坝技术是采用于硬性混凝土和碾压方法来修建混凝土坝，与常规混凝土筑坝方式相比，具有水泥用量少，相应的水化热温升少、温控简化，不等待表面散热的大仓面连续快速施工，大大加快混凝土坝建造速度。由于碾压混凝土容易出现层间缺陷，重力坝往往采用加大剖面和加大工程量的办法以保证其稳定安全。通常修建拱坝理想的坝址条件是河谷较窄(高宽比为1∶5)弱风化层浅而基岩性能良好(整体性好，足够强度，透水性小等)的刚性基础上。在高寒地区软弱基础(如中国新疆等西北地区)上可采用重力拱坝(厚高比＞0.35)，一则加大基础承载能力，二则水压荷载更多由梁来分担，减少了拱和拱座推力，采用重力拱坝还增加了岩基开挖和坝体混凝土工程量(约1/3~2/5)，相应增加施工强度、设备或延长工期，增加动态投资。但在高寒地区软弱基础上修建拱坝尤其是较薄的拱坝易使温度变形过大，拱座受水压力变位过大，局部应力集中恶化(如拱冠下游拉裂延伸形成拱冠上游面压力过大破坏等)以至造成坝体破坏，技术困难大，因此国内外在这种条件下很少修建较薄的快速经济的高拱坝。
【发明内容】
本发明的目的是为克服上述重力拱坝和拱坝的不足，在充分考虑软弱地基上拱坝变位特性的基础上，提出一种软弱地基上碾压混凝土柔性拱构造。在上游坝肩和下游拱冠垂直拉力方向设柔性材料带，则拉力大大减小，拉力变形集中在柔性材料带，混凝土内拉应力减小到允许范围，从而大大减少整体应力。不仅节约工程量，大大改善大变形引起的拱坝应力，而且修建工程量较少的碾压混凝土拱坝大大加快施工速度，还可降低温升和内外温差，减少坝体裂缝，保证坝体质量。
本发明提出一种软弱地基上碾压混凝土柔性拱构造。其特征在于，包括在水平拱圈上，上游左右坝肩拉力区和下游拱冠拉力区设柔性材料带，下游拱冠的拉力区柔性材料带径向长度ab和上游坝肩拉力区柔性材料带径向长度a1b1约1～2米，上游坝肩拉力区柔性材料带弯曲长度b1c为1～2米且和径向a1b1夹角30～60度；下游拱冠和左右坝肩柔性带离上游坝面约30～40cm处分别设止水，左右坝肩柔性带端点用槽钢止裂，下游拱冠柔性带端亦设止裂槽钢；在拱坝立面上，从离拱坝基座以上约坝高1/5高度往上沿左右坝肩主要平面拱作用区连续设置柔性材料带，该柔性材料带底部亦设槽钢止裂。
坝顶在高宽比为1∶0.6～1∶0.8范围内可有横缝隔离的垂直悬臂梁。柔性材料带周围可设灌浆系统。所说的柔性材料带可采用弹性模量在300-500MPa的材料如木材、塑料、沥青等。
本发明的作用及效果：
本发明在拱坝拉力区设薄层柔性材料，使平面拱微量自由伸长或改变曲率(加大曲率)不引起应力急剧恶化，也减少上下层拱的变位差，减少了梁向拉应力。因此用本发明可降低拱坝刚度，使它易于适应软弱基础上拱坝在水压作用下加大地拱座变位和运行期温降带来的平面拱受拉变形，将这些拉力区受拉变形集中在(低弹模)柔性材料带，大大降低拱坝拉应力到允许值，本发明还可在变形带末端设止裂措施直到防止裂缝延伸的作用。
软岩基础上拱坝在水压作用下拱座向下游和两侧变位加大，拱冠曲率减小，使坝肩上游和拱冠下游面都出现破坏性的拉力区，施工期和运行期坝体温降容易将拱端混凝土拉裂，除在坝肩埋设备用接触灌浆以防温降拉裂外，可在上游坝肩和下游拱冠垂直拉力方向设柔性材料带，则拉力大大减小，拉力变形集中在柔性材料带，混凝土内拉应力减小到允许范围。
计算和工程实践都表明当结构拉力变形由不同弹模材料串连分担时，材料变形主要由低弹模段来承担，从而大大减少整体应力。软弱基岩上用较薄的“柔性拱”构造，不仅节约工程量，大大改善大变形引起的拱坝应力，而且修建工程量较少的碾压混凝土拱坝大大加快施工速度，以平面拱为主承受水压力，减少层间缺陷对坝体安全(剪力破坏)带来的威胁，碾压混凝土还可降低温升和内外温差，减少坝体裂缝，保证坝体质量。
本发明可适用于岩基弹模3000～4000MPa以上软弱地基上修建拱坝，实际上在拱坝拉力区设柔性材料带都能改善坝体应力。在高寒地区施工工期短，用碾压混凝土可以大大加快投入运行日期，水泥用量少，减轻温控负担，降低施工期坝体温降和内外温差，对保证坝体混凝土质量也是有意义的。
【附图说明】
图1为本发明的软弱地基上碾压混凝土柔性拱坝实施例构造平面示意图。
图2为本发明的软弱地基上碾压混凝土柔性拱坝实施例构造立面示意图。
【具体实施方式】
本发明设计的一种软弱地基上碾压混凝土柔性拱坝实施例结合附图详细说明如下：
本实施例是修建在高寒地区(年平均气温+4.1度)、软弱地基上(泥钙质胶结砾岩，弹模4000MPa，最大拉压强度12～14MPa)的碾压混凝土拱坝，坝高109米，河谷底宽近百米，拱推力大，为减少软弱地基压力强度和变位，拱座局部加宽坝厚的1/5，拱坝剖面梁最大底宽为30米，为碾压施工需求坝顶宽5米。坝体采用本发明构造。
本实施例柔性拱构造如图1和图2所示。
拱座混凝土牢固地插入软弱岩石，以使坝体和岩石共同变形。
碾压混凝土坝段长度达80米，施工期坝体温降时依靠中缝7的变形松弛拉应力。拱肩fg沿软岩面若被拉裂，可由回填接触灌浆31，32重新粘合，以保证后期传递压力。坝体上游由于天然或人工方式冷却形成低温区，在低温区设铰接井6，铰结井内回填膨胀混凝土后形成铰接拱，则施工期即可挡水，待坝体温降至灌浆温度后中缝7再灌浆形成整体拱。中缝内设灌浆系统5。
本实施例采用弹性模量为300MPa的油浸沥青木板作为柔性材料带：在水平拱圈上，在上游左右坝肩拉力区(约离岩石面10米以内)和下游拱冠拉力区(约1/3拱长)设柔性材料带21，22，23，下游拱冠的拉力区柔性材料带径向长度ab和上游左右坝肩拉力区柔性材料带径向长度a1b1约1～2米，上游左右坝肩拉力区柔性材料带弯曲长度b1c为1～2米且和径向a1b1夹角30～60度。柔性带水压作用下相对固端变形，改变拱冠曲率，减少拱坝拉力，大大改善平面拱应力。上游拱冠和左右坝肩柔性带离上游坝面约30cm处分别设止水41，42，以防柔性带内由于水压造成劈裂。左右坝肩和上游拱冠柔性带端点(如c点)用槽钢止裂，下游拱冠柔性带端亦可设止裂槽钢11。在拱坝立面上，柔性材料带从离拱坝基座以上约坝高1/5高度往上沿左右坝肩主要平面拱作用区连续布置，柔性材料带底部亦设槽钢13止裂。坝顶在高宽比为1∶0.6～1∶0.8范围内可保留为有横缝隔离的垂直悬臂梁，以削减温度拱向拉力，在高水位时可改善拱坝中下部梁向应力。柔性材料带周围可设灌浆系统。
为比较应力位移取刚性基础弹模2000MPa，坝体混凝土弹模2000MPa，用14330个有限单元计算比较。
表1水压荷载作用下控制点应力(MPa)1308(1/4拱高)上游坝肩拱向应力上游拱冠处拱向应力1345(2/3坝高处)下游面拱向应力1291上游坝踵梁向应力刚性拱、刚性基础+5.4-1.9-1.5+3.5柔性拱、基础+1.2-2.2-1.3+2.0注：表中“+”表示拉应力，“-”表示压应力。
表2水压荷载作用下控制点顺河向位移(mm) 1355拱座 拱座位移 1394(拱顶)位移刚性拱、刚性基础 -3～-15 -0.8～-2 -16.2柔性拱、柔性基础 -5～-20 -1.9-4 -22.4
注：表中“-”表示向下游变位。
可见在柔性基础上采用柔性拱，虽然顺河向位移加大1/4，但上游坝肩拉力下降到安全值，上游坝面压力加大，拱座断面压力加大，也都在安全值内，柔性拱减小坝踵梁向拉力(和自重叠加仍在安全值内)，因此柔性拱对水压面积的拱坝应力有利。
温度荷载下柔性拱作用：当整体温降10℃时坝体和岩石交界面产生大的应力集中，刚性拱坝肩上游面拉应力达4.8MPa，而柔性拱下降到1.48MPa，降低2/3左右，1/4拱短缝处拉应力也下降0.5~1.0MPa。下游面中缝保留的人工短缝降低下游拱冠拉力的峰值，柔性拱坝体刚度降低变位增大适应坝体温降的变位。
可见柔性拱坝体在水压和温度荷载作用下因降低坝体刚度而降低坝体应力集中，大大改善坝体应力，柔性拱坝体位移在水压作用有所增加但应力并不恶化，增大坝肩厚度虽不能改善坝肩上游面应力集中，但可减少坝体和岩石接触面的压应力和剪应力。因此柔性拱结合坝肩局部加厚可解决坝体位移加大引起应力恶化问题，软弱基础上修建拱坝不难通过采用结构措施成为可行。