砌石拱壩裂縫研究與砌筑工藝改進

前言

第1章 概述

1．1 砌石壩和砌石拱壩

1．1．1 砌石壩的歷史悠久

1．1．2 砌石拱壩的優(yōu)越性

1．2 我國砌石拱壩

1．2．1 砌石拱壩與中小型水庫

1．2．2 砌石拱壩在我國風行一時

1．2．3 砌石拱壩便于維護管理

1．3 砌石拱壩發(fā)展中的問題

1．3．1 砌石拱壩開裂普遍

1．3．2 新建數(shù)量急劇減少

第2章 裂縫危害程度評估

2．1 砌石拱壩裂縫危害程度評估的定性方法

2．2 國內外對拱壩裂縫危害性的認識

2．2．1 美國工程師的研究

2．2．2 中國專家的見解

2．2．3 多數(shù)砌石拱壩可以帶縫運行

2．3 界定砌石拱壩裂縫危害程度的定性方法

2．3．1 必要性

2．3．2 可能性

第3章 兩座拱壩失事的啟示

3．1 福建梅花砌石周邊縫拱壩的潰決

3．1．1 拱壩概況及事故經(jīng)過

3．1．2 事故原因分析

3．2 法國馬爾巴賽（Malpasset）拱壩潰決

3．2．1 歐洲的拱壩熱潮

3．2．2 馬爾巴賽拱壩概況及失事經(jīng)過

3．2．3 各方對事故的見解

3．3 兩個拱壩潰決實例的啟示

第4章 影響壩體開裂的因素

4．1 石塊受力后的破壞形式

4．2 微裂隙與脆性斷裂

4．2．1 脆性破壞與塑性破壞

4．2．2 微小裂隙的影響

4．3 砌縫是裂縫高發(fā)區(qū)域

4．3．1 砌縫區(qū)域的微裂隙與局部應力

4．3．2 砌縫內的空隙和裂隙

4．4 砌體的抗拉強度

第5章 裂縫的產(chǎn)生和演變

5．1 局部缺陷與外部荷載

5．1．1 局部缺陷往往是裂縫的起點

5．1．2 外部荷載是裂縫開展的動力

5．2 外荷與裂縫類型

5．2．1 裂縫產(chǎn)生的條件

5．2．2 裂縫方向偏轉

5．3 裂縫斷續(xù)延伸

5．4 裂面的承載能力

第6章 上部壩體豎直裂縫

6．1 導致上部壩體豎直裂縫的主要原因

6．1．1 溫度變化

6．1．2 “溫度應力”與“溫度裂縫”

6．2 “溫度裂縫”的一些特點

6．2．1 裂縫多從壩頂開始

6．2．2 上游面縫端止于庫水面之上

6．2．3 豎直貫穿裂縫多呈半徑方向

6．2．4 裂縫完全對稱的情況不多

……

第7章 地址缺陷引起的豎直裂縫

第8章 水平裂縫

第9章 導致壩體復雜裂縫的地下因素

第10章 砌石拱壩設計

第11章 “邊砌邊封”方法對壩體應力的影響

第12章 其他不當?shù)氖┕し椒?

第13章 裂縫的象征意義

第14章 裂縫對砌石拱壩危害程度的定性分析

第15章 務實對待砌石拱壩面臨的問題

第16章 水利樞紐方案的決策

第17章 砌石拱壩的工藝革新建議

參考文獻

后記 2100433B

《砌石拱壩裂縫研究與砌筑工藝改進》筆者曾兼權以為：裂縫是局部應力超強的結果。裂縫的位置、形態(tài)和發(fā)展過程，都與壩體內部應力狀態(tài)有關，故可以把砌石拱壩上的裂縫看成是反映壩內應力狀況的一種信息，通過對它們進行分析研究，就可以確定各種裂縫對拱壩安全影響的程度。由此出發(fā)研究出一套定性的方法，用以界定不同裂縫對砌石拱壩安全的危害程度。

砌石拱壩在使用壽命和維護費用方面都優(yōu)于散粒體壩，正確計入這種優(yōu)越性和抗災減災上的效益，并采用機械化施工方法加大砌筑塊體的尺寸，將有利于改善經(jīng)濟指標、減少裂縫，大幅度地提高其在壩型比選中的競爭力，為國家修建更多既安全、又經(jīng)濟的水利水電樞紐。

《砌石拱壩裂縫研究與砌筑工藝改進》可供水利水電、地質、建筑工程以及建設管理等有關部門的規(guī)劃、設計、施工、管理人員閱讀參考。

《砌筑工工藝與實訓》是以就業(yè)為導向職業(yè)教育課程改革教材，是建筑類專業(yè)實訓教材。

《砌筑工工藝與實訓》根據(jù)砌筑工職業(yè)技能標準要求，分為9個實訓課題，主要內容包括砌筑基本知識、磚基礎的砌筑、清水磚墻的砌筑、清水方柱的砌筑、空心磚墻的砌筑、砌塊墻的砌筑、空斗墻的砌筑、單曲磚拱的砌筑、瓦屋面的鋪筑。

《砌筑工工藝與實訓》可作為中職、高職院校建筑類相關專業(yè)實訓教材，也可作為建筑工程技術人員培訓用書。2100433B

從技術功效上來看，研究相對集中在通過改善“溢流槽工藝”“溢流槽結構”和“牽引”來提高玻璃質量的均勻性，通過改善“溢流槽材料”來延長溢流槽壽命。具體如下：

（1）在改進溢流槽結構方面：重點是改進鋯石耐火材料的燒結添加劑及鋯石顆粒粒度分布；新的關注點一是磷釔礦耐火材料，二是改進氧化鋁材料來取代鋯石材料作為溢流槽的主體材料來制造高堿玻璃。

（2）在改進溢流槽結構方面：難點是如何提高玻璃尺寸應力均勻性；關鍵的改進部位是溢流槽根部；新的技術思路是利用疊層溢流槽生產(chǎn)表面強化玻璃基板。

（3）在改進溢流槽工藝控制方面：難點仍是如何提高玻璃尺寸應力均勻性；關鍵的改進部位也仍然集中在溢流槽根部；改進的重心在于改進溫度場控制。

（4）在改進牽引工藝方面：重點是改進牽引過程中溫度場控制；新的技術思路是通過牽引工藝的改進來形成并穩(wěn)定在寬度方向上具有一定彎曲度的玻璃帶；有效的技術手段是在牽引過程中采用合適的實時在線監(jiān)測及反饋控制手段 。

裂縫性儲層國外研究現(xiàn)狀

1968年，G.H. Murry將構造橫剖面看作彎曲的“梁”，用幾何方法導出了剖面曲率值與裂縫孔隙度之間的計算公式，對裂縫作了初步定量研究。1971年，他進行了關于構造主曲率和裂縫發(fā)育的關系的研究。1982年日本的Masanobu Oda引進裂隙張量來研究各向異性裂隙巖體的孔隙性指數(shù)。80年代初，美國的范.高爾夫─拉特才寫成了關于裂縫油藏工程的專著，基本形成了裂縫型儲層研究的理論和方法，但專著卻不是針對裂縫本身的研究。

上世紀70年代，隨著分形幾何學概念的提出，國外學者逐漸把這一理論引入儲層裂縫研究領域。 1980年P.L.Gong Dilland從理論上證明分形理論可用于碳酸鹽巖地區(qū)裂縫的研究，并介紹了用分形理論建立裂縫分布的實際模型。隨后Barton C.C. (1985)、Hirata(1989)、Thomas and Blin-lacroix(1989)、Velde B. and Duboes J (1990)、Main(1990)等人又把這一理論用于其他巖石裂縫的研究，并在斷層幾何形態(tài)的描述、裂縫數(shù)與裂縫長度、裂縫寬度和密度、裂縫平面分布的研究方面取得了較大進展。到1995年，Barton C.C.通過研究認為，當裂縫的分維D大于1.34，裂縫就能構成互相滲流的裂縫網(wǎng)絡。

除了理論上的發(fā)展外，國外專家學者在儲層裂縫的識別上也作出了突出的貢獻。90年代后，國外在裂縫的測井識別、地震識別上取得了長足的進步。測井方面新方法和新設備主要體現(xiàn)在：電磁測向儀、CT掃描儀、微Lambda測井、環(huán)形聲波測井、成像測井(FMI)、全井眼地層微電阻率成像(FMI)、DSI偶極橫波成像儀和井下電視儀(BHTV)等，這些方法和設備能測量出儲層裂縫的傾角、走向、寬度、長度、視孔隙度，以及裂縫的充填與開啟程度，甚至能識別出微裂縫及亞微觀裂縫。

裂縫性儲層國內研究現(xiàn)狀

國內對儲層裂縫研究工作開展得較早，技術手段處于較先進的水平，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）定性分析和生產(chǎn)經(jīng)驗總結的預測裂縫方法

50年代后期開始，四川油氣田的地質工作者根據(jù)構造形態(tài)特征和斷層部位等構造組合特征，提出尋找裂縫的“一占一沿”（即布置油氣井位置時要占褶皺構造的高點，沿褶皺的長軸，），“三占三沿”（占高點、沿長軸，占鞍部、沿扭曲，占鼻突、沿斷裂），“三打三不打”（打凸不打凹，打拱不打彎，對斷層打上盤不打下盤）等經(jīng)驗方法。這種方法主要是基于構造特征定性分析和生產(chǎn)經(jīng)驗總結的預測裂縫方法。

（2）利用測井手段和地震信息識別和預測裂縫

80年代以來，由于國際交流與合作加劇，國內大量引進了國外先進的儀器和設備。在引進國外先進技術與設備的同時，國內專家學者也在數(shù)據(jù)的處理上有所發(fā)展，如在分析處理地震S波分析資料上，國外提出了旋轉方法(Ando,1983)、偏振法(Crampin,1985)、旋轉相關法(Bowman,1987)和縱橫比方法(Smith,1989)四種方法，而在國內也相應提出了四種方法，即最大似然法、最大特征向量法、波形算法和自適應慢S波法。

利用測井和地震手段來識別裂縫，準確地說不能叫預測裂縫。同時測井與地震識別裂縫費用也高，且存在多解性，很難對裂縫進行準確的定量預測。

（3）非線性理論方法檢測和識別地下裂縫

和國外一樣，非線性理論也主要應用分形理論、神經(jīng)網(wǎng)絡等技術方法對裂縫進行檢測和識別，但總體來說也不成熟。如1992年趙陽升在研究煤巖體裂縫分布規(guī)律后指出，小尺寸巖體與大尺寸巖體裂縫數(shù)存在一種自相似性。1995年彭仕宓等利用分形理論對柴達木盆地南翼山E₃儲層裂縫進行了預測，指出裂縫發(fā)育與構造及斷層有著直接關系。

（4）據(jù)構造應力的分析研究預測裂縫

構造應力作用是裂縫形成的根本原因，根據(jù)對構造應力研究來預測裂縫的發(fā)育分布，應該是裂縫預測的主要方向。國內不少學者對此問題作過探索，但對于構造應力的求解方式、構造應力與裂縫的關系問題上，以及相關方法的適用性方面，也存在較大分歧或問題。

1982年和1988年，成都理工大學曾錦光教授先后提出了“應用構造面主曲率研究油氣藏裂縫問題”和“用屈曲薄板模擬縱彎褶皺的力學模型”，建立了分析褶皺應力場的計算方法。隨后在1994年他建立了斷層古應力場解析計算方法，從而提出了斷層裂縫系統(tǒng)分布的預測方法。這些工作，為用力學理論來解決裂縫預測問題提供了一個良好的開端。但由于其基礎或理論依據(jù)過于理想化，所使用的解析計算方法在實際應用中存在的問題，實際使用效果不太理想。

上世紀80年代末90年代初，隨著計算機技術的發(fā)展，構造應力的研究和數(shù)值模擬計算取得了重大進展，國內的殷有泉、陳子光、安歐、宋惠珍、黃潤秋、胡明和秦啟榮等人在這一領域里做了大量的工作，推動了相關學科的發(fā)展。

90年代末至今，越來越多的人開始從構造應力場的角度應用數(shù)值模擬方法研究裂縫的定量預測，但這些工作大都是針對單個構造進行，或是僅為儲層滲流的目的來研究裂縫。而系統(tǒng)、全面地從理論角度研究應用構造應力場進行區(qū)域性裂縫預測卻很少，所以，今后主要要在這一方面進行研究，進而摸索出一套進行區(qū)域性古構造應力場數(shù)值模擬的帶規(guī)律性的理論與方法。