砌石拱坝裂缝研究与砌筑工艺改进

前言

第1章 概述

1．1 砌石坝和砌石拱坝

1．1．1 砌石坝的历史悠久

1．1．2 砌石拱坝的优越性

1．2 我国砌石拱坝

1．2．1 砌石拱坝与中小型水库

1．2．2 砌石拱坝在我国风行一时

1．2．3 砌石拱坝便于维护管理

1．3 砌石拱坝发展中的问题

1．3．1 砌石拱坝开裂普遍

1．3．2 新建数量急剧减少

第2章 裂缝危害程度评估

2．1 砌石拱坝裂缝危害程度评估的定性方法

2．2 国内外对拱坝裂缝危害性的认识

2．2．1 美国工程师的研究

2．2．2 中国专家的见解

2．2．3 多数砌石拱坝可以带缝运行

2．3 界定砌石拱坝裂缝危害程度的定性方法

2．3．1 必要性

2．3．2 可能性

第3章 两座拱坝失事的启示

3．1 福建梅花砌石周边缝拱坝的溃决

3．1．1 拱坝概况及事故经过

3．1．2 事故原因分析

3．2 法国马尔巴赛（Malpasset）拱坝溃决

3．2．1 欧洲的拱坝热潮

3．2．2 马尔巴赛拱坝概况及失事经过

3．2．3 各方对事故的见解

3．3 两个拱坝溃决实例的启示

第4章 影响坝体开裂的因素

4．1 石块受力后的破坏形式

4．2 微裂隙与脆性断裂

4．2．1 脆性破坏与塑性破坏

4．2．2 微小裂隙的影响

4．3 砌缝是裂缝高发区域

4．3．1 砌缝区域的微裂隙与局部应力

4．3．2 砌缝内的空隙和裂隙

4．4 砌体的抗拉强度

第5章 裂缝的产生和演变

5．1 局部缺陷与外部荷载

5．1．1 局部缺陷往往是裂缝的起点

5．1．2 外部荷载是裂缝开展的动力

5．2 外荷与裂缝类型

5．2．1 裂缝产生的条件

5．2．2 裂缝方向偏转

5．3 裂缝断续延伸

5．4 裂面的承载能力

第6章 上部坝体竖直裂缝

6．1 导致上部坝体竖直裂缝的主要原因

6．1．1 温度变化

6．1．2 “温度应力”与“温度裂缝”

6．2 “温度裂缝”的一些特点

6．2．1 裂缝多从坝顶开始

6．2．2 上游面缝端止于库水面之上

6．2．3 竖直贯穿裂缝多呈半径方向

6．2．4 裂缝完全对称的情况不多

……

第7章 地址缺陷引起的竖直裂缝

第8章 水平裂缝

第9章 导致坝体复杂裂缝的地下因素

第10章 砌石拱坝设计

第11章 “边砌边封”方法对坝体应力的影响

第12章 其他不当的施工方法

第13章 裂缝的象征意义

第14章 裂缝对砌石拱坝危害程度的定性分析

第15章 务实对待砌石拱坝面临的问题

第16章 水利枢纽方案的决策

第17章 砌石拱坝的工艺革新建议

参考文献

后记 2100433B

《砌石拱坝裂缝研究与砌筑工艺改进》笔者曾兼权以为：裂缝是局部应力超强的结果。裂缝的位置、形态和发展过程，都与坝体内部应力状态有关，故可以把砌石拱坝上的裂缝看成是反映坝内应力状况的一种信息，通过对它们进行分析研究，就可以确定各种裂缝对拱坝安全影响的程度。由此出发研究出一套定性的方法，用以界定不同裂缝对砌石拱坝安全的危害程度。

砌石拱坝在使用寿命和维护费用方面都优于散粒体坝，正确计入这种优越性和抗灾减灾上的效益，并采用机械化施工方法加大砌筑块体的尺寸，将有利于改善经济指标、减少裂缝，大幅度地提高其在坝型比选中的竞争力，为国家修建更多既安全、又经济的水利水电枢纽。

《砌石拱坝裂缝研究与砌筑工艺改进》可供水利水电、地质、建筑工程以及建设管理等有关部门的规划、设计、施工、管理人员阅读参考。

《砌筑工工艺与实训》是以就业为导向职业教育课程改革教材，是建筑类专业实训教材。

《砌筑工工艺与实训》根据砌筑工职业技能标准要求，分为9个实训课题，主要内容包括砌筑基本知识、砖基础的砌筑、清水砖墙的砌筑、清水方柱的砌筑、空心砖墙的砌筑、砌块墙的砌筑、空斗墙的砌筑、单曲砖拱的砌筑、瓦屋面的铺筑。

《砌筑工工艺与实训》可作为中职、高职院校建筑类相关专业实训教材，也可作为建筑工程技术人员培训用书。2100433B

从技术功效上来看，研究相对集中在通过改善“溢流槽工艺”“溢流槽结构”和“牵引”来提高玻璃质量的均匀性，通过改善“溢流槽材料”来延长溢流槽寿命。具体如下：

（1）在改进溢流槽结构方面：重点是改进锆石耐火材料的烧结添加剂及锆石颗粒粒度分布；新的关注点一是磷钇矿耐火材料，二是改进氧化铝材料来取代锆石材料作为溢流槽的主体材料来制造高碱玻璃。

（2）在改进溢流槽结构方面：难点是如何提高玻璃尺寸应力均匀性；关键的改进部位是溢流槽根部；新的技术思路是利用叠层溢流槽生产表面强化玻璃基板。

（3）在改进溢流槽工艺控制方面：难点仍是如何提高玻璃尺寸应力均匀性；关键的改进部位也仍然集中在溢流槽根部；改进的重心在于改进温度场控制。

（4）在改进牵引工艺方面：重点是改进牵引过程中温度场控制；新的技术思路是通过牵引工艺的改进来形成并稳定在宽度方向上具有一定弯曲度的玻璃带；有效的技术手段是在牵引过程中采用合适的实时在线监测及反馈控制手段 。

裂缝性储层国外研究现状

1968年，G.H. Murry将构造横剖面看作弯曲的“梁”，用几何方法导出了剖面曲率值与裂缝孔隙度之间的计算公式，对裂缝作了初步定量研究。1971年，他进行了关于构造主曲率和裂缝发育的关系的研究。1982年日本的Masanobu Oda引进裂隙张量来研究各向异性裂隙岩体的孔隙性指数。80年代初，美国的范.高尔夫─拉特才写成了关于裂缝油藏工程的专著，基本形成了裂缝型储层研究的理论和方法，但专著却不是针对裂缝本身的研究。

上世纪70年代，随着分形几何学概念的提出，国外学者逐渐把这一理论引入储层裂缝研究领域。 1980年P.L.Gong Dilland从理论上证明分形理论可用于碳酸盐岩地区裂缝的研究，并介绍了用分形理论建立裂缝分布的实际模型。随后Barton C.C. (1985)、Hirata(1989)、Thomas and Blin-lacroix(1989)、Velde B. and Duboes J (1990)、Main(1990)等人又把这一理论用于其他岩石裂缝的研究，并在断层几何形态的描述、裂缝数与裂缝长度、裂缝宽度和密度、裂缝平面分布的研究方面取得了较大进展。到1995年，Barton C.C.通过研究认为，当裂缝的分维D大于1.34，裂缝就能构成互相渗流的裂缝网络。

除了理论上的发展外，国外专家学者在储层裂缝的识别上也作出了突出的贡献。90年代后，国外在裂缝的测井识别、地震识别上取得了长足的进步。测井方面新方法和新设备主要体现在：电磁测向仪、CT扫描仪、微Lambda测井、环形声波测井、成像测井(FMI)、全井眼地层微电阻率成像(FMI)、DSI偶极横波成像仪和井下电视仪(BHTV)等，这些方法和设备能测量出储层裂缝的倾角、走向、宽度、长度、视孔隙度，以及裂缝的充填与开启程度，甚至能识别出微裂缝及亚微观裂缝。

裂缝性储层国内研究现状

国内对储层裂缝研究工作开展得较早，技术手段处于较先进的水平，具体表现在以下几个方面：

（1）定性分析和生产经验总结的预测裂缝方法

50年代后期开始，四川油气田的地质工作者根据构造形态特征和断层部位等构造组合特征，提出寻找裂缝的“一占一沿”（即布置油气井位置时要占褶皱构造的高点，沿褶皱的长轴，），“三占三沿”（占高点、沿长轴，占鞍部、沿扭曲，占鼻突、沿断裂），“三打三不打”（打凸不打凹，打拱不打弯，对断层打上盘不打下盘）等经验方法。这种方法主要是基于构造特征定性分析和生产经验总结的预测裂缝方法。

（2）利用测井手段和地震信息识别和预测裂缝

80年代以来，由于国际交流与合作加剧，国内大量引进了国外先进的仪器和设备。在引进国外先进技术与设备的同时，国内专家学者也在数据的处理上有所发展，如在分析处理地震S波分析资料上，国外提出了旋转方法(Ando,1983)、偏振法(Crampin,1985)、旋转相关法(Bowman,1987)和纵横比方法(Smith,1989)四种方法，而在国内也相应提出了四种方法，即最大似然法、最大特征向量法、波形算法和自适应慢S波法。

利用测井和地震手段来识别裂缝，准确地说不能叫预测裂缝。同时测井与地震识别裂缝费用也高，且存在多解性，很难对裂缝进行准确的定量预测。

（3）非线性理论方法检测和识别地下裂缝

和国外一样，非线性理论也主要应用分形理论、神经网络等技术方法对裂缝进行检测和识别，但总体来说也不成熟。如1992年赵阳升在研究煤岩体裂缝分布规律后指出，小尺寸岩体与大尺寸岩体裂缝数存在一种自相似性。1995年彭仕宓等利用分形理论对柴达木盆地南翼山E₃储层裂缝进行了预测，指出裂缝发育与构造及断层有着直接关系。

（4）据构造应力的分析研究预测裂缝

构造应力作用是裂缝形成的根本原因，根据对构造应力研究来预测裂缝的发育分布，应该是裂缝预测的主要方向。国内不少学者对此问题作过探索，但对于构造应力的求解方式、构造应力与裂缝的关系问题上，以及相关方法的适用性方面，也存在较大分歧或问题。

1982年和1988年，成都理工大学曾锦光教授先后提出了“应用构造面主曲率研究油气藏裂缝问题”和“用屈曲薄板模拟纵弯褶皱的力学模型”，建立了分析褶皱应力场的计算方法。随后在1994年他建立了断层古应力场解析计算方法，从而提出了断层裂缝系统分布的预测方法。这些工作，为用力学理论来解决裂缝预测问题提供了一个良好的开端。但由于其基础或理论依据过于理想化，所使用的解析计算方法在实际应用中存在的问题，实际使用效果不太理想。

上世纪80年代末90年代初，随着计算机技术的发展，构造应力的研究和数值模拟计算取得了重大进展，国内的殷有泉、陈子光、安欧、宋惠珍、黄润秋、胡明和秦启荣等人在这一领域里做了大量的工作，推动了相关学科的发展。

90年代末至今，越来越多的人开始从构造应力场的角度应用数值模拟方法研究裂缝的定量预测，但这些工作大都是针对单个构造进行，或是仅为储层渗流的目的来研究裂缝。而系统、全面地从理论角度研究应用构造应力场进行区域性裂缝预测却很少，所以，今后主要要在这一方面进行研究，进而摸索出一套进行区域性古构造应力场数值模拟的带规律性的理论与方法。