面板堆石壩面板擠壓破壞處理措施研究

陳文

云南大唐國際那蘭水電開發(fā)有限公司 云南紅河州 654000

1 面板堆石壩施工概述

一般地，混凝土面板堆石壩施工主要包括壩基開挖、趾板施工、壩料開采、運輸、填筑、碾壓、面板混凝土澆筑等幾大工序，每道工序都有適合自身特點的施工要點及難點，必須認真研究，找出解決問題的辦法，確保面板堆石壩順利實施。由于面板堆石壩施工受氣候影響較大、技術(shù)難度高，一般現(xiàn)場工作面狹窄，施工協(xié)調(diào)難度大，因此，對現(xiàn)場施工組織、施工管理能力提出了較高要求。

2 面板擠壓破壞處理措施

2.1 面板破壞處理方法歸結(jié)

綜合國內(nèi)外筑壩經(jīng)驗，根據(jù)目前對面板擠壓破壞的認識，防止高面板堆石壩擠壓破壞的措施主要包括兩個方面：一是控制壩體堆石的變形；二是提高面板適應(yīng)變形、抵抗壓應(yīng)力的能力。

對于第一個方面壩體總體變形主要通過合理分區(qū)、選擇堆石材料、預留沉降、改善堆石壓實等進行控制。特別是300m超高面板堆石壩更應(yīng)重視預留沉降期等安排[1]。

對于第二個方面，主要措施有：改進面板壓性縱縫設(shè)計，在河床段面板縱縫之間，填入一定厚度的可變形材料以吸收壩軸向的變形，釋放河床段面板積聚的應(yīng)變能；適當增大河床段面板頂部面板的厚度，增大面板承壓面積等。

2.2 基于有限元的面板接縫處理措施

針對面板壓性垂直縫，按有縫寬設(shè)計，同時在縫內(nèi)設(shè)置塑性填料，使其具有吸收變形能力，以減免面板擠壓破壞的可能。根據(jù)設(shè)計資料，混凝土面板的分塊寬度一般為12-16m，河床中部面板較寬，兩岸面板較窄，面板頂厚30-60cm。建立面板-垂直縫-堆石體三維子結(jié)構(gòu)模型，模型采用兩塊面板拼接，每塊面板寬16m，長度為32m，厚度為0.6m，墊層料厚度為8m。在數(shù)值計算分析中，混凝土面板采用線彈性模型，彈性模量E為30GPa，泊松比為0.2，容重為25kN/m3；墊層料等堆石體采用國內(nèi)在計算土石壩、堆石壩等巖土工程問題時廣泛采用的Druck-er-Prager彈塑性模型，在ANSYS中通過DP材料來實現(xiàn)。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 面板應(yīng)力應(yīng)變分析

基于所建立的局部子結(jié)構(gòu)模型，按方案一首先對面板垂直縫有無填縫材料的情況進行計算分析。根據(jù)非線性接觸理論，該模型需考慮不同縫寬和填料模量—壓縮位移的關(guān)系。在目前的計算模型中，考慮了填縫材料在狹窄面板接觸垂直縫中受到強制位移約束條件的限制可能表現(xiàn)出的硬化特征，在小壓縮位移情況下，垂直縫處取填縫材料彈性模量E1進行計算；當壓縮位移超過一定量值后（目前取0.5倍初始縫寬），垂直縫處取面板混凝土彈性模量E2進行計算。

給定的模型參數(shù)為：E1=1100MPa，填料寬度d=12mm，E2=30GPa。施加的側(cè)向強制位移和法向分布力不變，模擬面板子結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況。在面板接縫處沒有填縫材料的情況下，接縫面沿壩軸向位移平均約為1.1mm；且接縫處出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，截面上最大擠壓應(yīng)力為27MPa。在面板接縫處有填縫材料的情況下，面板壩軸向的相向位移明顯增大，部分縫面相向位移超過了0.5倍初始縫寬，發(fā)生了相互貫入，且頂部貫入量最大，最大值約為11.6mm，意味著縫面下部會出現(xiàn)脫開；可見填縫材料使接縫保留一定的變形能力，吸收了大量的擠壓位移?？p面最大擠壓應(yīng)力為8MPa，數(shù)值上明顯減小[2]。

3.2 計算結(jié)果對比分析

方案一保持作用在面板表面法向分布力不變，在墊層料側(cè)向逐漸增加擠壓位移，帶動面板發(fā)生擠壓，模擬面板受擠壓變形；然后保持擠壓位移不變，改變面板表面法向壓力值，模擬不同水深對面板造成的壓力。

可知，在兩塊面板應(yīng)力集中的垂直縫處，節(jié)點位移和應(yīng)力隨墊層料側(cè)向擠壓位移和面板表面法向分布力的增大呈線性增長；垂直縫中設(shè)置厚度足夠的彈性襯墊材料后，縫面擠壓位移明顯增大，兩曲線間距離較大?？梢姡r墊材料可吸收相應(yīng)的擠壓位移，并使面板在法向力作用下適應(yīng)變形的能力增強，從而使面板的擠壓應(yīng)力顯著降低，防止混凝土發(fā)生擠壓破壞。在擠壓位移處于0.5倍初始縫寬之前，由于填縫材料尚未達到硬化比例，墊層料側(cè)向位移基本被軟縫所吸收，最大擠壓應(yīng)力增長不大；而在之后，填縫材料已完全硬化，達到了壓縮極限，接縫面上部兩塊面板抵觸摩擦，故擠壓位移受側(cè)向位移的影響不明顯，而最大擠壓應(yīng)力隨側(cè)向位移增加至22.6MPa。在面板法向分布力達600kPa時，填縫材料達到硬化比例的臨界狀態(tài)，同擠壓位移處于0.5倍縫寬時一樣[3]。

方案二在垂直縫處用3種不同模量的材料填縫，模擬不同的襯墊材料。使用鋼度越小的柔性填料在極限范圍內(nèi)可吸收更多的擠壓位移，但隨墊層料側(cè)向位移和面板法向分布力的增加，接縫處擠壓位移相對剛度較大填料增長較快。由于柔性材料要吸收一定的擠壓位移后才發(fā)生硬化，因此在其極限范圍內(nèi)接縫面最大擠壓應(yīng)力增長相對緩慢，達到壓縮變形極限后，接縫處壩軸向相向位移超過0.5倍初始縫寬，面板后續(xù)的擠壓應(yīng)力增長較快，而軸向變形逐漸變小。鋼度較大的填料則不容易發(fā)生變形，隨著墊層料側(cè)向位移和面板法向分布力的增大，相對于柔性填料其不容易達到壓縮極限而發(fā)生硬化。

4 結(jié)語

根據(jù)面板堆石壩面板擠壓破壞的機理，通過控制變量的方法，進一步研究了其適合的止水結(jié)構(gòu)尺寸與填縫材料要求，得到了填縫材料對面板應(yīng)力應(yīng)變的具體影響，并給出了工程建議措施。研究成果可為已發(fā)生面板擠壓破壞的高面板堆石壩工程的修復處理及新建高面板堆石壩的預防措施設(shè)計等提供參考。