光测弹性力学在水利水电工程上的应用

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发表时间:2018-05-25 15:29

光测弹性力学在水利水电工程上的应用

张晓宇

上世纪五十年代初,因国防工业用电需要,在江西上犹江建设一座水电站,因坝址河床狭窄,选用坝顶溢流的坝内式厂房,即在大体积混凝土坝内部留一个大孔口,中间布置水电站厂房。当时还没有有限元法,大体积混凝土坝内大孔口的结构计算存在一些困难,除采用一些近似方法计算外,又选用光弹性法进行试验研究,为设计提供应力资料。

在清华大学力学教研室的教授指导下,进行了平面光弹性试验。试验分水压和自重两部分,水压在恒温箱中进行,模型的上游面承受按三角形分布的水压力,温度由110℃逐渐降到室温,将应力冻结在模型里;自重试验在离心机上进行,用离心力模拟重力。也是用冻结法,离心机上模型匣内温度由110℃逐渐降到室温,然后取出模型,这时自重的应力也冻结在模型里。水压和自重两个模型分别在光弹仪上观测,并计算出两者的应力。光弹试验的应力结果出来后,设计方对原设计作了修改,节省了很多钢材。

以后光弹性试验广泛地用于水电工程,如新安江重力坝下游坝面溢流、刘家峡副坝坝内挖孔、柘溪单支墩大头坝等。

1956年从捷克进口了一台光弹仪,同时进口了一些光弹性材料,这些材料做的模型很快就产生时间边缘效应,而且不能退火清除,严重地影响试验成果。因此请我所化学试验室帮忙研制光弹性材料。1958年化学试验室研制成环氧类光弹性材料和一整套一次固化——脱模去边——二次固化的工艺。这种环氧板边缘效应小,且可退火清除,可用于常温试验和冻结试验,这为光弹性试验更好地应用于水利水电工程创造了条件。

水利水电工程大都是大体积和形状复杂的结构,平面光弹性试验不能满足工程建设的需要,要求研究三维光弹性试验,首先要制作合格的模型。最早采用熔接法铸造三维光弹模型,就是用熔点较低的石腊、地腊或低熔点的合金做成芯模,固定在外模上,向外模内注入含有一定百分比的固化剂的液态环氧树脂,在40左右低温固化7~9天,环氧固化成型后,拆去外模,将整块模型加温到芯样材料的熔点,将熔化的芯样材料倾倒干净,然后再将模型放入恒温箱内,加热到100~120,恒温24~48小时,进行二次固化和退火处理,三维模型就铸造完成。到上世纪80年代,芯模都用硅橡胶做成,硅橡胶的优点是富有弹性,适应性好,环氧模型成型过程的初应力小。

三维模型在冻结温度下加载,逐渐降到常温将应力冻结在模型里。按照需要的断面对模型进行切片和切条,再进行正射和斜射等观测,得到各点的应力条纹值和主应力倾角就可算出各点的应力分量和主应力方向。应用偏光显微镜观测,使观测到的应力和倾角值更准确。

三维光弹性应力分析常用来研究复杂的三维结构的内部应力和孔口应力集中等问题。从1958年开始就完成了以礼河重力坝、白莲河混凝土蜗壳、盐锅峡混凝土方蜗壳等三向光弹试验。上世纪80年代以来,对一些重要的大型水电站都进行三维光弹试验,如坝高157米东江双曲拱坝的三维光弹试验结果表明,进水口由于结构的刚度较大,对坝体强度不仅不会削弱,反而起了加强作用;安康水电站的厂坝联合结构,证明厂房对坝的稳定起到好的作用;三峡溢流坝段有溢流表孔、中孔和导流底孔等三层孔口,断面十分复杂,也用三维光弹性试验给出溢流孔闸墩、溢流坝面、坝踵和导流底孔的三维应力。

上世纪80年代初,又开展了激光全息光弹试验。全息干涉法用于测定180m高的龙羊峡拱坝的三维振型,分析了正反对称的八个振型,这是常规试验方法达不到的。同时测出拱坝坝顶中部的最大径向位移为43mm。根据岩石强度理论,应用全息光弹性法,对白山水电站地下厂房围岩可能产生的初始破裂范围进行模型试验。研究结果表明,围岩的最大破裂深度达8m,设计的预应力锚杆长度为20m是偏于安全的。

大化水电站大坝与地基的变形分析曾采用激光散斑干涉法,获得了较好的研究效果。散斑干涉法可以测定大坝、地基及地下结构围岩的变形。

光弹性试验还可研究复杂地基上的大坝和坝基内的应力情况,如大黑汀水库溢流坝段的地基具有软弱夹层,稳定分析时进行光弹性模型试验。试验中坝基采用不同的弹性模数,还模拟了地基岩层界面的摩擦系数,分析了稳定研究中大坝与地基的应力状态。试验的结果表明,采用深井桩等工程措施之后,坝体和岩基均是稳定的。

参加本专题研究的有傅新民、张晓宇、胡积龄、陈际明、方永留、王国秉、马迁、李伯芹、沈振荣、钱蕴壁、董哲仁、沈星原、张博庭、南东亚、王我宁、杜振坤、宋宝洪、吴致芳、王月秋等同志。

参编出版专著《水工建筑物光测应力分析》一部,“地下洞室光测模型试验及在工程中应用”研究成果获1990年度能源部科技进步二等奖。


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