丹江口大壩加高新老混凝土結(jié)合面工程措施數(shù)值分析

陜 亮，徐躍之

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.材料與結(jié)構(gòu)研究所;b.水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010;2.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

丹江口大壩加高工程中，新老壩體混凝土結(jié)合問題是主要技術(shù)難題之一。先期進(jìn)行的3次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)的仿真計(jì)算資料表明:新老壩體結(jié)合面在混凝土澆筑完成后一段時(shí)間內(nèi)基本上是結(jié)合完好的，但在外界氣溫年變化的影響下，后期都有不同程度的張開［1－2］。周期性變化的氣溫使壩體下游面伸縮，是產(chǎn)生結(jié)合面法向拉應(yīng)力進(jìn)而引起開裂的主要因素［3－5］。結(jié)合面張開會(huì)改變新、老壩體聯(lián)合受力的條件，影響大壩的可靠性。因此，本文結(jié)合丹江口大壩2壩段加高施工過程，先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工方案，采用數(shù)值仿真模擬技術(shù)，研究新老混凝土結(jié)合面間設(shè)置鍵槽及錨筋的工程措施對(duì)新老混凝土結(jié)合狀態(tài)的影響，然后通過計(jì)算結(jié)果比選鍵槽形式以及錨筋的布置。

1 計(jì)算方法

1.1 施工過程仿真非線性計(jì)算

按照新澆混凝土的施工安排考慮澆筑過程、澆筑溫度、通水冷卻、混凝土徐變、年氣溫水溫變化、蓄水過程的仿真計(jì)算，是包含新老混凝土結(jié)合面接觸非線性和徐變材料非線性的綜合非線性計(jì)算。在全過程仿真計(jì)算中，采用的軟件為3DCRCPCG V1.0程序［6］，計(jì)算出各時(shí)段的變溫和徐變產(chǎn)生的荷載增量，以上一時(shí)段的縫面接觸狀態(tài)和接觸應(yīng)力作為本時(shí)段的初始值，用變剛度法進(jìn)行接觸問題非線性迭代，直至前后2次的計(jì)算結(jié)果接近為止，然后轉(zhuǎn)入下一時(shí)段。

1.2 水荷載作用的接觸非線性計(jì)算

不考慮施工過程仿真計(jì)算中的影響因素，僅考慮在結(jié)構(gòu)澆筑完成后，上游水位抬高引起的水荷載增量，進(jìn)行新老混凝土結(jié)合面接觸非線性計(jì)算。

1.3 接觸模擬

采用厚度趨于零的8節(jié)點(diǎn)接觸單元對(duì)新老混凝土結(jié)合面進(jìn)行模擬，認(rèn)為縫面接觸時(shí)能傳遞壓應(yīng)力、剪應(yīng)力，縫面在初始狀態(tài)未開裂時(shí)能傳遞有限的拉應(yīng)力。

設(shè)縫面摩擦系數(shù)、凝聚力和抗拉強(qiáng)度分別為f，C和σp，初始法向間隙為w0，在荷載作用下產(chǎn)生的縫面兩側(cè)法向(n)、切向(t，s)的相對(duì)位移分別為

wr+w0≤0表示法向閉合，則縫面接觸應(yīng)力與相對(duì)位移之間的關(guān)系為

式中:kn，kt，ks為縫面單位面積的法向剛度和切向剛度。為使縫面不產(chǎn)生嵌入現(xiàn)象，kn，kt，ks理論上應(yīng)取無窮大，實(shí)際計(jì)算中一般取高于混凝土彈性模量和剪切模量一個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣雖有嵌入，但不過分。σn，τt，τs為縫面的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力。

當(dāng)縫面法向閉合時(shí)，切向應(yīng)力可能超過抗剪強(qiáng)度而產(chǎn)生滑移，因此切向應(yīng)力還需滿足條件

如果縫面初始間隙w0=0且粘接完好，當(dāng)σn＞σp時(shí)，縫面發(fā)生法向拉裂。

當(dāng)縫面法向張開時(shí)，縫面不傳遞任何應(yīng)力?？p面一旦發(fā)生滑移或張開，以后計(jì)算中取C=0.0MPa，σp=0.0MPa。

2 計(jì)算條件與計(jì)算方案

2.1 計(jì)算模型

取丹江口大壩2壩段為研究對(duì)象，模擬加高施工建造過程，2壩段老壩壩頂高程162 m，建基面高程110 m，壩軸向?qū)?5 m，建基面順?biāo)飨蜷L(zhǎng)44 m，老壩壩頂順?biāo)飨蜷L(zhǎng)12 m，加高工程完成后，壩頂高程176.6 m，建基面順?biāo)飨蜷L(zhǎng)54.125 m。新老混凝土結(jié)合面的計(jì)算參數(shù)，摩擦系數(shù)f取1.0，粘聚力c、法向抗拉強(qiáng)度σp均取1.0MPa，初始間隙w0=0。三角形鍵槽及梯形鍵槽的尺寸見圖1，左圖為三角形鍵槽，右圖為梯形鍵槽。計(jì)算模型見圖2。

圖1 鍵槽大樣圖Fig.1 Detailed drawing of key grooves

坐標(biāo)軸方向:x軸正向指向下游，y軸正向指向左岸，z軸正向向上，z軸坐標(biāo)與高程一致。

2.2 計(jì)算條件

材料計(jì)算參數(shù)見表1。

溫度應(yīng)力計(jì)算中，新混凝土彈性模量由式(3)給出。

式中:E(t)為混凝土彈性模量(GPa);t為混凝土齡期(d)。

圖2 2壩段計(jì)算模型Fig.2 Computation model of dam section No.2

混凝土徐變:基巖與壩體老混凝土不考慮徐變，新澆混凝土徐變由式(4)給出。

式中:C(t，τ)為混凝土徐變度(10－6/MPa);t為混凝土齡期(d);τ為混凝土加荷齡期(d)。

邊界條件:溫度計(jì)算，與氣溫接觸的邊界，按第三類邊界條件處理，放熱系數(shù)β取15 W/(m2·℃);與水接觸的邊界，按第一類邊界條件處理;基巖四周及底部按絕熱處理。應(yīng)力計(jì)算，基巖各側(cè)面(除上游面外)取法向約束，基巖底面取全約束。

初始條件:賦基巖與老壩混凝土16.3℃的初溫;庫水位按157 m考慮;在上游水面以下為水溫;其它邊界面為氣溫的邊界條件，以大壩加高工程開始施工前20年為起始時(shí)刻，計(jì)算至貼坡混凝土開始澆筑前一年所得的溫度場(chǎng)，作為初始溫場(chǎng)度;取混凝土的澆筑溫度作為新澆混凝土層的初始溫度。

荷載條件:加高前上游水位按157 m考慮，加高后上游水位按正常蓄水位170 m考慮。壩體上游水位以下取水溫作邊界條件，壩體兩側(cè)面取絕熱邊界條件，其余取氣溫作邊界條件，老壩及地基取16.3℃作起算溫度，計(jì)算20年得出的壩體溫度場(chǎng)作為應(yīng)力計(jì)算的初始溫度場(chǎng)。模擬大壩加高的施工建造過程，考慮水泥水化熱溫升，計(jì)算大壩各時(shí)間段的溫度，以各時(shí)間段的溫差作為結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算的溫度荷載。由于缺乏老壩的施工資料，無法準(zhǔn)確模擬老壩的結(jié)構(gòu)應(yīng)力作為計(jì)算的初始條件，因此，本文計(jì)算分析不考慮老壩自重，僅考慮新澆混凝土自重，即老壩下游貼坡段及老壩壩頂加高部分新澆混凝土的自重。壩踵應(yīng)力分析時(shí)，以應(yīng)力增量來判斷壩踵應(yīng)力是否惡化。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

2.3 計(jì)算方案

為研究新老混凝土結(jié)合面間設(shè)置鍵槽及錨筋的工程措施對(duì)新老混凝土結(jié)合狀態(tài)的影響，按不同鍵槽形式和錨筋布置設(shè)計(jì)計(jì)算方案，見表2。

表2 計(jì)算方案Table 2 Computation schemes

3 成果分析

3.1 施工過程仿真計(jì)算結(jié)果

3.1.1 結(jié)合面最大張開度

各方案新老混凝土結(jié)合面的最大開度均出現(xiàn)在冬季的結(jié)合面頂部高程162 m處。表3給出了方案1至方案4，大壩加高完成后，壩前水面由157 m提高至170 m條件下，新老混凝土結(jié)合面頂部高程162 m處冬季的最大開度。由表可見，最大開度以梯形鍵槽方案最小，三角形鍵槽方案次之，無鍵槽方案最大。由方案4與方案2的比較可見，設(shè)置錨筋可以減小新老混凝土結(jié)合面的最大開度。

表3 冬季新老混凝土結(jié)合面高程162 m處的最大開度Table 3 Maximum openings of fresh and hardened concrete interfaces found at elevation 162m in different schemes in winter

3.1.2 結(jié)構(gòu)位移

表4給出了方案1至方案3，高程162 m老壩體下游端頂部和高程176.6 m下游端頂部順流向位移變幅，由表可見，設(shè)置鍵槽的新老壩體變形協(xié)調(diào)性更好，其中梯形鍵槽最好，三角形鍵槽次之。

表4 下游端頂部順流向位移變幅Table 4 Displacements along the flow direction at top of the dam on the downstream side

3.1.3 壩踵應(yīng)力

圖3為壩踵豎向應(yīng)力歷程對(duì)比，計(jì)算結(jié)果表明鍵槽、錨筋加強(qiáng)了新老壩體間的聯(lián)系，在年氣溫、水溫變化的影響下，壩踵出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力與方案1(無鍵槽)相比有所增加，增量見表5。其中，新老結(jié)合面粘結(jié)完好，新壩體對(duì)老壩體有很強(qiáng)的約束，冬季下游面的收縮引起上游豎向拉應(yīng)力較其它方案的結(jié)果要大，因此就結(jié)合面而言，粘結(jié)越好，在溫度水壓作用下，對(duì)上游壩踵應(yīng)力越不利，這一點(diǎn)值得注意。

表5 各方案相對(duì)方案1的壩踵應(yīng)力增量Table 5 Increments of dam heel stress in the other schemes compared with scheme 1

圖3 壩踵豎向應(yīng)力歷程對(duì)比Fig.3 Histories of vertical stress at the dam heel

3.1.4 錨筋布置

表6給出了方案4、方案5新老混凝土結(jié)合面頂部高程162 m處在春夏秋冬的最大開度。表7給出兩方案的結(jié)合面在春夏秋冬的接觸面積比率。結(jié)果表明:盡管加密布置錨筋進(jìn)一步加強(qiáng)了新老壩體間的聯(lián)系，減小了新老混凝土結(jié)合面的最大開度和提高結(jié)合面的接觸面積比例，但幅度均較小，且使壩踵的豎向拉應(yīng)力的增加也僅約0.1MPa。綜合考慮施工及經(jīng)濟(jì)因素，建議不必要采用錨筋加密布置。

表6 新老混凝土結(jié)合面頂部高程162 m處的最大開度Table 6 Maximum openings of fresh and hardened concrete interfaces found at elevation 162m mm

表7 新老混凝土結(jié)合面的接觸面積比率Table 7 Ratios of contact area of the fresh and hardened concrete interfaces %

3.2 水荷載作用的接觸非線性計(jì)算結(jié)果

新老混凝土結(jié)合面按接觸考慮，初始接觸狀態(tài)為閉合;水平推力為上游水位由157 m升至170 m時(shí)的增量水壓力。計(jì)算表明:接觸面均未有脫開，鍵槽的設(shè)置與否，在上游水荷載作用下，對(duì)壩體的整體位移和壩踵應(yīng)力沒有影響;而結(jié)合面能有效傳遞上游水壓力，約承擔(dān)了由老壩傳遞過來的上游水荷載的35%;鍵槽的設(shè)置有利于結(jié)合面?zhèn)鬟f上游水壓的水平推力，其中，梯形鍵槽的傳遞效果最好，三角形鍵槽的次之，且均好于不設(shè)置鍵槽，見表8。

表8 新老混凝土結(jié)合面的傳力Table 8 Transferred forces at fresh and hardened concrete interfaces

4 結(jié)語

(1)設(shè)置鍵槽有利于結(jié)合面?zhèn)鬟f上游水壓的推力，增強(qiáng)新老壩體變形協(xié)調(diào)性，減小結(jié)合面的最大張開度。其中梯形鍵槽最好，三角形鍵槽次之，可根據(jù)工程情況選取簡(jiǎn)明有效的措施。

(2)盡管加密布置錨筋進(jìn)一步加強(qiáng)了新老壩體間的聯(lián)系，可減小新老混凝土結(jié)合面的最大開度和提高結(jié)合面的接觸面積比例，但幅度均較小，且使壩踵的豎向拉應(yīng)力也只略有增加。綜合考慮施工及經(jīng)濟(jì)因素，建議不必要采用錨筋加密布置。

(3)新老混凝土結(jié)合面借助工程措施可加強(qiáng)聯(lián)系，但在氣溫、水溫年變化作用下，粘結(jié)越好對(duì)上游壩踵應(yīng)力越不利，這一點(diǎn)值得注意。

(4)基于結(jié)合面粘結(jié)完好的壩體受溫度影響顯著，且對(duì)壩踵處有不利影響，可否考慮一種新方案，即在不影響壩體整體穩(wěn)定和抗震的基礎(chǔ)上，結(jié)合面頂部一定區(qū)域內(nèi)留為冷縫面，區(qū)域以下并縫設(shè)置粘結(jié)，從而減小溫度對(duì)壩體上游面及壩踵的影響，這值得進(jìn)一步研究。

［1］陜 亮，徐躍之，蘇海東.改善新老混凝土結(jié)合狀態(tài)工程措施研究［R］.武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院，2009.(SHAN Liang，XU Yue-zhi，SU Hai-dong.Study on Measures for Binding Interface Between Fresh and Hardened Concrete［R］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，2009.(in Chinese))

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