堆石壩面板脫空的氣囊式自動保護裝置及其設計方法與流程
本發明涉及一種大壩面板的保護裝置，具體涉及一種混凝土面板堆石壩面板脫空的氣囊式自動保護裝置，本發明還涉及這種氣囊式自動保護裝置的設計方法。
背景技術：
混凝土面板堆石壩因其對地形地質條件的適應性、就地取材的經濟性以及施工和運行維護的便利性備受國內外壩工界青睞[1,2]。我國自1982年建成首座混凝土面板堆石壩以來，其設計、施工和監測技術均得到長足發展，現已成為已建、在建和擬建混凝土面板堆石壩數量最多的國家[3]。其中，已經建成投產的清江水布埡面板堆石壩最大壩高233m，居世界同類壩型之首[1,3]；擬建的茨哈峽和大石峽等混凝土面板堆石壩最大壩高甚至突破250m[4,5]。這類高壩工程一旦出現隱患或險情，將對下游居民生命財產和工農業安全生產以及生態環境造成重大威脅，故保障其長期、安全、穩定運行具有至關重要的意義。
面板堆石壩筑壩粗顆粒材料在荷載和環境因素作用下易于發生顆粒棱角破碎并表現出顯著的流變特性，故大壩在竣工后將發生量值可觀的后期變形[6]，使剛度較大的混凝土面板與墊層料之間出現脫空，從而使混凝土面板應力狀態惡化，出現沿壩軸向的水平裂縫[7,8]。地震荷載作用下堆石料亦因顆粒破碎而收縮，大壩整體震陷并使混凝土面板與墊層料脫空[5,9]。紫坪鋪面板堆石壩地震破壞機理的數值模擬研究結果表明，汶川地震中二、三期面板之間水平施工縫的剪切破壞亦由面板脫空所致[10,11]。可見，面板與墊層料脫空實為影響混凝土面板堆石壩長期安全的一大重要病害，一旦發生將對防滲體系安全造成嚴重威脅。
堆石料流變導致的面板脫空持續時間漫長，難以察覺；而堆石體震陷引起的面板脫空則在地震過程中瞬間發生，防范不及。因此，通常只能在面板表面出現裂縫等繼發病害后進行修復處理。常規的做法是通過紅外熱成像、探地雷達和聲波映像等無損檢測方法，并輔以適當的鉆孔檢查脫空范圍和脫空深度，然后對脫空區進行充填灌漿處理[12,13]。
目前，國內外的現有技術中尚未出現面板脫空后立即對其進行自動保護、防止防滲體系進一步損壞的裝置。
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技術實現要素：
為了彌補現有技術的上述空白，本發明提供一種混凝土面板堆石壩面板脫空的氣囊式自動保護裝置及其設計方法，目的是在面板與墊層料之間發生脫空，且脫空量達到危害混凝土面板安全的量值時，自動啟動氣囊式保護裝置，使充氣氣囊支撐面板，從而改善混凝土面板的受力狀態，防止出現表面裂縫和錯臺等繼發病害。
完成上述發明任務的技術方案是，一種混凝土面板堆石壩面板脫空的氣囊式自動保護裝置，設置在混凝土面板堆石壩面板下的擠壓邊墻內，其特征在于，自動保護裝置由三個部分組成：保護氣囊、氣體發生器及自動觸發裝置，其中的保護氣囊安裝于臨近壩頂部位的預制混凝土擠壓邊墻內；所述的氣體發生器通過通氣管與該保護氣囊相連；所述的自動觸發裝置中設有脫空量探測器電點火機構，該電點火機構和所述發氣體發生器連接，控制該發氣體發生器的啟動。
本發明的基本工作原理：
面板脫空自動保護裝置宜安裝在堆石料較為深厚，面板易于發生脫空且可能脫空量較大的河谷中央部位，并向兩岸坡延伸一定距離，有條件時應通過三維有限單元法對脫空范圍進行計算分析后確定，如圖1所示。脫空保護裝置的安裝高程可通過懸臂面板的抗拉或抗裂條件，由結構力學分析方法確定，見下文。
在面板堆石壩長期運行過程中或者當其遭受地震時，堆石體沉降并與面板分離，面板處于懸臂工作狀態，當脫空深度達到一定量值時，若不進行及時保護，面板上表面將出現拉裂縫甚至折斷。本專利所涉及的氣囊式自動保護裝置將在面板脫空量達到一定量值時自動觸發氣體發生器，氣體發生器點火后迅速產生大量氣體，并對氣囊快速充氣，使膨脹的氣囊支撐脫空的面板，從而改善面板工作狀態，如圖2所示。
混凝土面板脫空自動保護裝置的結構設計：
圖3是混凝土面板脫空自動保護裝置結構的示意圖，該裝置安裝于臨近壩頂部位的預制混凝土擠壓邊墻內，該裝置主要由三個部分組成，即保護氣囊、氣體發生器以及自動觸發裝置。
(1)保護氣囊：是該自動保護裝置的核心構件，面板脫空量達不到點火閾值時，保護氣囊折疊于氣囊盒中，并用鋁質蓋板保護；當面板脫空量達到預定閾值時，氣囊快速充氣并向外鼓脹，對面板起到支撐作用。保護氣囊可參照汽車工業中的生產方法[14,15]，由機械強度高、耐磨性和耐腐蝕性良好的聚酰胺(尼龍)織物縫制，并以氯丁橡膠或硅酮作為涂層材料。單塊面板下保護氣囊的個數及其徑、緯向抗拉強度可通過計算分析確定，見下文。
(2)氣體發生器：是該自動保護裝置的核心構件，通過通氣管與保護氣囊相連。當面板脫空量達到預定閾值時，自動點火引燃其中的產氣劑，釋放大量氣體，這些氣體經過濾后通過通氣管充入保護氣囊，其工作原理與汽車安全氣囊中類似[16,17]。氣體發生器中產氣藥劑可以疊氮化鈉(NaN3)為主體，其氧化劑可以采用三氧化二鐵(Fe2O3)或者氧化銅(CuO)等。該系列藥劑具有性能穩定，氣體溫度相對較低、成本低廉等優點[16]；但疊氮化鈉具有很強的毒性，反應后生成的氣體中，氮的氧化物(NO和NO2)含量高，回收氣囊時應特別注意。
(3)自動觸發裝置：是該自動保護裝置的核心構件，具有脫空量探測和自動通電觸發氣體發生器的雙重功能，如圖3(b)所示。該觸發裝置中，一組為氣體發生器電點火具供電的電池通過高強鋼絲與混凝土面板相連。該電池組陰極與氣體發生器陰極線纜相連；其陽極正對一組銅片，該銅片與氣體發生器陽極線纜相連。當面板與墊層料緊密貼合時，電池陽極與陽極銅片處于斷開狀態，自動保護裝置不工作。隨著面板與墊層料脫空深度的增加，高強鋼絲牽引電池組沿著其斜坡軌道向上運動，并靠近陽極銅片。當脫空量達到預定閾值時，電池組陽極與陽極銅片接觸，電點火具通電觸發氣體發生器工作。與此同時，置于壩頂與電點火具并聯的警報器開始工作，提示巡視人員，該處脫空量已到達設定閾值，應盡快處置。該裝置中允許脫空量可通過調整電池組陽極與陽極銅片之間的距離實現，方便可靠。
完成本申請第二個發明任務的技術方案是，以上混凝土面板堆石壩面板脫空的氣囊式自動保護裝置的設計方法，其特征在于，步驟如下：
(1).自動保護裝置安裝位置的確定之一：根據荷載條件、面板混凝土材料強度、面板尺寸及其配筋方式確定面板臨界脫空深度；
(2).自動保護裝置安裝位置的確定之二：根據脫空點處的受壓條件并考慮構造要求確定安裝位置；
(3).安全氣囊的強度參數的確定之一：根據面板脫空深度、安全氣囊尺寸、安裝位置以及安全氣囊個數(指單塊面板下安全氣囊的總數)確定氣囊工作時的內部壓力；
(4).安全氣囊的強度參數的確定之二：根據氣囊內部壓力、氣囊端部尺寸及其平衡條件，確定氣囊經向和緯向抗拉強度。
自動保護裝置安裝位置確定方法：
本發明中所述自動保護裝置安裝位置是指安全氣囊中心線的高程，如圖1中水平虛線所示。其確定可分兩步實施：(1)根據荷載條件、面板混凝土材料強度、面板尺寸及其配筋方式確定面板臨界脫空深度；(2)根據脫空點處的受壓條件并考慮構造要求確定安裝位置。為便于闡述，現引入下述記號：
hs＝面板頂部高程；hw＝正常蓄水位；hg＝面板脫空(脫空區與非脫空區分界處)高程；ρw＝庫水的密度；ρs＝面板混凝土的密度；w＝面板的寬度；h＝面板的厚度；g＝重力加速度，向下為正；ax＝水平向地震加速度，向壩內為正；ay＝豎直向地震加速度，向下為正；θ＝面板與水平面的夾角；fc＝混凝土的抗壓強度；ft＝混凝土的抗拉強度；z＝面板等效受壓區厚度；fy＝鋼筋的抗拉強度；As＝單寬面板中鋼筋面積。
圖4為面板與墊層料脫空后懸臂面板的受力分析示意圖，面板脫空區與非脫空區的分界處是承受彎矩最大，最容易出現裂縫或者折斷的部位，該部位的順坡向軸力為
其中：at為沿面板坡向向下的加速度，即
at＝(g+ay)sinθ-axcosθ (2)
該部位的彎矩為
其中：an為沿面板法向向內的加速度，即
an＝(g+ay)cosθ+axsinθ (4)
式(3)中如果面板脫空高度在蓄水位以上，則右端第二項由水壓力貢獻的彎矩不應計入。
面板堆石壩中混凝土面板大多采用單層雙向配筋，并布設于板厚中間[3,18]，如圖5(a)所示。面板臨界脫空深度應根據抗裂分析或抗斷分析確定，對于流變引起的脫空，由于過程緩慢，不易察覺，建議按照抗裂分析確定；對于地震引起的脫空，因面板裂縫難以避免，宜由抗斷分析確定。
抗裂分析假定鋼筋和混凝土均處于彈性變形狀態，混凝土應力可由軸向力和彎矩兩部分的貢獻疊加而成，如圖5(b)所示。由于鋼筋位于板厚中央，不承擔彎矩，且配筋率較低(0.3-0.4％)[18]，可以忽略其承擔的軸力，故面板在軸向荷載N和彎矩M共同作用下上表面抗裂條件可以表示為：
將式(1)和式(3)代入式(5)可以得到一個以脫空深度hg為未知量的一元二次方程，可以通過數值方法或圖解法得到基于抗裂分析的臨界脫空深度。
對于面板抗斷分析，忽略受拉區混凝土的作用，并將受壓區混凝土應力狀態作圖5(c)所示的簡化，即假定受壓區混凝土全部達到抗壓強度，鋼筋亦同時達到其抗拉強度，則可以根據軸力平衡和力矩平衡列出下列兩式：
fc·w·z-fy·w·As＝N (6)
將式(1)和式(3)代入式(6)和式(7)可以得到含有兩個未知量的方程組，即脫空深度hg和面板等效受壓區厚度z，同樣可通過數值方法或圖解法得到基于抗斷分析的臨界脫空深度。
本發明彌補了現有技術的空白，在面板與墊層料之間發生脫空且脫空量達到危害混凝土面板安全的量值時，自動啟動氣囊式保護裝置，使充氣氣囊支撐面板，從而改善混凝土面板的受力狀態，防止出現表面裂縫和錯臺等繼發病害。
本發明旨在當混凝土面板堆石壩的面板與其墊層料發生脫空，且脫空量達到一定量值時，自動啟動氣囊式保護裝置，防止止水系統出現繼發病害，主要創新點為：
(1)提出了用保護氣囊、氣體發生器和自動觸發裝置為核心構件的氣囊式保護裝置保護脫空后面板的思想，國內外目前尚無面板脫空的自動保護裝置。
(2)根據面板脫空問題設計的自動觸發裝置采用一組置于滑動軌道的電池組來控制，允許脫空量通過調整電池組陽極與陽極銅片之間的距離實現，該思想具有原創性。
(3)提出了按照抗裂準則和抗斷準則確定斜置面板臨界脫空深度的方法，綜合考慮構造要求，建議了保護氣囊安裝高程確定方法。
(4)提出了考慮面板脫空深度、安全氣囊尺寸、安裝位置以及安全氣囊個數(指單塊面板下安全氣囊的總數)等因素的氣囊經向和緯向抗拉強度確定方法。
特別提示：本裝置是一種臨時保護裝置，旨在為采用工程手段處置面板脫空病害爭取時間，一旦自動觸發裝置工作，壩頂報警器發出脫空警報信息后，應盡快采用充填灌漿等永久處置措施。
附圖說明
圖1為氣囊式自動保護裝置的安裝范圍與高程(上游視圖)；
圖1中，氣囊式自動保護裝置的安裝范圍1-1，自動保護裝置1-2，混凝土趾板1-3，混凝土面板1-4；
圖2為充氣氣囊保護混凝土面板的基本工作原理；
圖2中，充氣氣囊2-1，初始輪廓2-2，堆石料2-3，變形后輪廓2-4，墊料層2-5，主堆石區2-6，堆次石區2-7，上游蓋重2-8，過渡料2-9；
圖3-a、圖3-b、圖3-c為混凝土面板脫空自動保護裝置結構示意圖；
圖3-a、圖3-b、圖3-c中，保護氣囊3-1，氣體發生器3-2，電點火具3-3，陰極線纜3-4，陽極線纜3-5，環狀線纜(接電源陰極)3-6；電池組3-7；高強鋼絲3-8，銅片(接陽極線纜)3-9，通氣管3-10，定滑輪3-11，混凝土面板3-12，鋁質蓋3-13，電池組軌道3-14，氣囊盒3-15，警報器3-16；
圖4-a、圖4-b為懸臂面板的受力分析示意圖；
圖4-a、圖4-b中，易裂面4-1；
圖5-a、圖5-b、圖5-c為混凝土面板配筋形式以及抗裂和抗斷分析示意圖；
圖5-a、圖5-b、圖5-c中，順坡向鋼筋5-1，水平向鋼筋5-2，軸力引起的應力5-3，彎矩引起的應力5-4，裂縫5-5；
圖6-a、圖6-b為臨界脫空深度的作圖確定法；
圖7為氣囊支撐面板時的受力簡圖；
圖7中，氣囊安裝位置7-1，脫空點7-2；
圖8-a～圖8-e為氣囊支撐面板時內部受力分析示意圖；
圖9為氣囊抗拉強度與其個數的關系圖。
具體實施方式
實施例1：某混凝土面板堆石壩各項參數如表1所列，試分別根據抗裂準則和抗斷準則確定面板臨界脫空深度。
表1某混凝土面板堆石壩臨界脫空計算參數
參照圖6-a、圖6-b：
圖6-a繪制了面板脫空過程中按照彈性假定計算的脫空點處面板表面拉應力與脫空深度的關系，根據面板混凝土的抗拉強度，可以計算得臨界脫空點處高程大約為98.5m，也即抗裂分析確定的面板脫空深度約為1.5m。圖6-b繪制了面板脫空過程中按照式(6)和式(7)確定的脫空深度與等效受壓區高度的關系，根據面板斷裂時刻的受力條件，相對受壓區高度(z/h)必定小于0.5，此處令相對受壓區高度為0.3，得到斷裂時刻面板脫空點高程約98.0m，即抗斷分析確定的面板脫空深度約為2.0m。
根據目前的工程經驗，面板的臨界脫空深度普遍在正常蓄水位以下，因此在分析氣囊支撐面板的受力情況時，可以不計水壓力的作用。此外，可以通過合理設計氣囊尺寸使其工作時脫空部位面板處彎矩為零，故其受力情況可如圖7所示進行簡化。若設臨界脫空狀態時面板沿坡向長度為L，氣囊安裝位置為x(從面板頂部算起)，則氣囊的安裝位置應滿足下述條件：
其中：第二個不等式約束必須滿足的原因是一旦該條件不滿足，脫空點處需要承受拉力，而墊層料是不可能提供該拉力的。這意味著若保護氣囊安裝在臨界脫空深度的一半以下，將引起新的脫空。由于面板頂部與防浪墻之間需要安裝水平止水，為減小施工困難，安全氣囊不宜安裝在面板頂部。綜合上述考慮，建議將保護氣囊安裝于x＝L/3處。
參照圖7：安全氣囊的強度參數確定方法(圖7中氣囊安裝位置7-1，脫空點7-2)：
安全氣囊強度參數按照下述步驟實施：(1)根據面板脫空深度、安全氣囊尺寸、安裝位置以及安全氣囊個數(指單塊面板下安全氣囊的總數)確定氣囊工作時的內部壓力；(2)根據氣囊內部壓力、氣囊端部尺寸及其平衡條件，確定氣囊經向和緯向抗拉強度。氣囊支撐面板時內部受力情況如圖8所示，現記：
L＝面板沿壩坡的脫空長度；x＝安全氣囊安裝位置(圖7)；W＝氣囊寬度；H＝氣囊高度(沿壩坡方向長度)；N＝單塊面板下氣囊個數；p＝氣囊內部壓力；T,T'＝氣囊經向和緯向強度；a,b,c＝氣囊端部橢圓半軸的長度(圖8)。
根據脫空段面板繞脫空點的力矩平衡條件可以得到氣囊的內部壓力，即
故
設氣囊端部在內部壓力p作用下形狀是橢圓，如圖8(b)和圖8(c)所示，并記該橢圓的兩個半軸長度分別為a和b，則根據氣囊端部平衡條件可以得到單位長度氣囊所受到的最大拉力T，即
T＝max{a·p,b·p} (11)
式(11)給出了氣囊在A-A剖面內的最大拉力值。氣囊沿另一方向的最大拉力值可以根據相同的原則確定，如圖8(d)和8(e)所示，即
T′＝max{a·p,c·p} (12)
單位寬度的氣囊在經向(A-A剖面)和緯向(B-B剖面)的抗拉強度不得低于由式(11)和式(12)所確定的量值。
實施例2：針對表1所述參數以及抗斷原則確定的某混凝土面板堆石壩面板臨界脫空深度為2m，現給定下述補充條件，試確定保護氣囊的經向和緯向抗拉強度。
表2確定的安全氣囊強度補充參數
圖9中繪制了根據式(9)～式(12)計算得到的安裝不同數量保護氣囊時對其強度的要求，從中可以看出，單塊面板下氣囊數量越多，對氣囊的抗拉強度要求越低，在本案例中，當保護氣囊數量為10時，抗拉強度為T＝T'＝6.89kN/m。可以根據該強度要求，選擇氣囊的制作材料。
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