某碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫設(shè)計(jì)研究

【摘要】本文結(jié)合實(shí)際工程，以碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫布置形式研究為主導(dǎo)，首先對(duì)無(wú)誘導(dǎo)縫拱壩運(yùn)行期進(jìn)行了三維非線性有限元應(yīng)力仿真分析及裂縫計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和誘導(dǎo)縫的設(shè)置原則，建立了誘導(dǎo)縫不同布置位置和不同削弱度的拱壩模型，分別進(jìn)行了三維有限元靜力計(jì)算。對(duì)比分析了幾種常見(jiàn)的誘導(dǎo)縫布置形式下壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律，提出了合理的誘導(dǎo)縫布置形式，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】碾壓混凝土拱壩；三維有限元法；仿真分析；誘導(dǎo)縫

1、工程概況

某水利樞紐大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩。壩頂高程646.00m，壩底建基面高程為501.00m，最大壩高145m。壩頂寬度10m，壩底最大寬度42m。壩基和兩岸坡設(shè)1.5m厚C25常態(tài)混凝土墊層，壩體上、下游面設(shè)1m厚二級(jí)配的C25變態(tài)碾壓混凝土，壩體為三級(jí)配的C25碾壓混凝土。

2、計(jì)算資料

2.1 計(jì)算模型

拱壩整體模型計(jì)算坐標(biāo)系：水流方向?yàn)閄軸方向，向下游為正；高度方向?yàn)閅軸方向，向上為正；垂直水流方向?yàn)閆軸方向，向右岸為正。坐標(biāo)系原點(diǎn)在拱冠梁剖面上游頂部，高程646.00m，整體模型包括壩體和地基，模型底部為固端約束，順?biāo)鞣较蚝蜋M河向都為法向連桿約束。網(wǎng)格剖分基本采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，單元總數(shù)28216個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)33245個(gè)。

2.2 計(jì)算荷載及工況

工況1：自重+正常蓄水位（642.00m）+相應(yīng)下游水位+泥沙壓力+溫降，簡(jiǎn)稱(chēng)溫降工況；

工況2：自重+正常蓄水位（642.00m）+相應(yīng)下游水位+泥沙壓力+溫升，簡(jiǎn)稱(chēng)溫升工況。

2.3 計(jì)算參數(shù)

（1）壩體C25混凝土物理力學(xué)參數(shù)

容重：γc=24kN/m3，彈性模量：20GPa，泊松比：μc=0.167，線脹系數(shù)：α=0.9～1.0×10-5/℃，導(dǎo)溫系數(shù)：3.0m2/月。

（3）壩址地質(zhì)參數(shù)

變形模量：15GPa；泊松比：0.22；線脹系數(shù)：α=1.0×10-5/℃；容重：γc=27KN/m3。

（4）溫度荷載：壩址多年平均溫度為12.8℃，其中1月多年平均溫度為1.2℃，7月多年平均溫度為24.2℃。按《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范（DL/T5346-2006）》規(guī)定計(jì)算拱壩運(yùn)行期溫度荷載。

（5）泥沙參數(shù)：淤沙高程：550.00m；淤沙浮容重：8kN/m3；淤沙內(nèi)摩擦角：14°。

3、無(wú)誘導(dǎo)縫拱壩應(yīng)力及開(kāi)裂分析

3.1 無(wú)誘導(dǎo)縫拱壩的計(jì)算成果及應(yīng)力分析

3.1.1 工況1計(jì)算成果及應(yīng)力分析

壩體上游面拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在壩體與基巖連接部位，最大值出現(xiàn)在壩體頂部?jī)蓧渭?，?.65MPa；底部最大值為1.83MPa。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱冠梁上部，為-2.80MPa。壩體下游面在壩體頂部?jī)蓧渭绯霈F(xiàn)受拉區(qū)，最大拉應(yīng)力為1.35MPa；下游面最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩趾附近，為-6.50MPa。

3.1.2 工況2計(jì)算成果及應(yīng)力分析

壩體上游面拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在壩體與基巖連接部位，最大值出現(xiàn)在壩體底部?jī)蓧渭?，其值?.40MPa；壩體上游面最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱冠梁頂部，最大值為-3.78MPa。壩體下游面基本為壓應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在壩趾附近，其值為-6.80MPa。

3.2 無(wú)誘導(dǎo)縫碾壓混凝土拱壩控制工況下開(kāi)裂分析

在溫降荷載工況下拱壩各部位所受應(yīng)力水平不同程度大于溫升荷載工況，為了計(jì)算壩體裂縫的開(kāi)裂位置及裂縫的發(fā)展方向，本文計(jì)算了溫降荷載工況下，拱壩超載階段壩體裂縫分布情況，超載計(jì)算是通過(guò)按比例增加水的容重來(lái)提高壩體所受水壓力，超載系數(shù)K=計(jì)算容重/水的容重。

超載系數(shù)K=1.0時(shí)壩體的裂縫分布，裂縫首先出現(xiàn)在拱壩上游面的頂部?jī)啥思暗撞績(jī)啥?，河床壩段壩踵沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，拱壩下游面除頂部?jī)啥送鉀](méi)有出現(xiàn)裂縫，開(kāi)裂區(qū)開(kāi)裂深度較小。

4、碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫布置形式研究

誘導(dǎo)縫是在壩內(nèi)可能產(chǎn)生裂縫的橫截面預(yù)先設(shè)置的人工縫，人為地在壩體內(nèi)構(gòu)造薄弱面。當(dāng)壩體溫度全面下降時(shí)，誘導(dǎo)縫所處的薄弱面能首先拉開(kāi)，達(dá)到消散壩體應(yīng)力、按預(yù)定要求引導(dǎo)溫度裂縫開(kāi)裂、控制裂縫發(fā)展方向，以避免壩體產(chǎn)生無(wú)規(guī)則裂縫的目的。

4.1 誘導(dǎo)縫的設(shè)置

由于溫降荷載對(duì)壩體的受力及裂縫是不利荷載，為了研究誘導(dǎo)縫對(duì)壩體應(yīng)力的影響，并且考慮誘導(dǎo)縫的設(shè)置原則，本文對(duì)以下幾種誘導(dǎo)縫布置方案進(jìn)行壩體應(yīng)力分析，計(jì)算工況為工況1（溫降工況），計(jì)算時(shí)誘導(dǎo)縫對(duì)斷面削弱1/4。另外根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇較合理的方案，對(duì)誘導(dǎo)縫在1/6和1/3削弱面積的情況下進(jìn)行工況1（溫降工況）的計(jì)算，最后為了研究設(shè)置誘導(dǎo)縫對(duì)工況2（溫升工況）的影響，對(duì)選擇的較合理方案進(jìn)行工況2（溫升工況）的計(jì)算分析，誘導(dǎo)縫布置方案包括以下幾種：

（1）方案1：設(shè)置1#和8#誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫對(duì)斷面削弱1/4；

（2）方案2：設(shè)置2#和7#誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫對(duì)斷面削弱1/4；

（3）方案3：設(shè)置3#和6#誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫對(duì)斷面削弱1/4；

（4）方案4：設(shè)置4#和5#誘導(dǎo)縫方案，誘導(dǎo)縫對(duì)斷面削弱1/4；

（5）方案5：設(shè)置1#、4#、5#和8#誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫對(duì)斷面削弱1/4。

（6）方案6：設(shè)置1#、4#、5#和8#誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫對(duì)斷面削弱1/6。

（7）方案7：設(shè)置1#、4#、5#和8#誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫對(duì)斷面削弱1/3。

4.2 設(shè)置誘導(dǎo)縫拱壩應(yīng)力計(jì)算及成果分析

從計(jì)算結(jié)果可知，在設(shè)置誘導(dǎo)縫的位置，壩體應(yīng)力分布明顯出現(xiàn)差別，其他部位應(yīng)力分布變化不大，但在壩體頂部?jī)啥思暗撞績(jī)啥说壤瓚?yīng)力較大部位，拉應(yīng)力有所減小，表明誘導(dǎo)縫的存在調(diào)整了壩體應(yīng)力。各方案典型部位應(yīng)力對(duì)比表見(jiàn)表，表1中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，單位MPa。

由表1可以看出：

（1）分析選取相同的誘導(dǎo)縫削弱程度，而不同的誘導(dǎo)縫布置位置的方案1～5可知，誘導(dǎo)縫設(shè)置位置越靠近頂部?jī)啥?，?duì)頂部?jī)啥死瓚?yīng)力的減小作用越大，但對(duì)底部?jī)啥死瓚?yīng)力的減小作用則越?。环粗嗳?。而同時(shí)設(shè)置1#、4#、5#和8#誘導(dǎo)縫的方案5能較好的減小頂部?jī)啥撕偷撞績(jī)啥说睦瓚?yīng)力。

（2）分析選取相同的誘導(dǎo)縫布置位置，而不同的誘導(dǎo)縫削弱程度的方案5～方案7可知，當(dāng)誘導(dǎo)縫削弱程度在1/6～1/3的范圍內(nèi)時(shí)，不同的削弱程度對(duì)誘導(dǎo)縫釋放壩體應(yīng)力的程度差別不大。

（3）分析在溫升工況時(shí)設(shè)與不設(shè)誘導(dǎo)縫對(duì)壩體應(yīng)力的影響可知，設(shè)置誘導(dǎo)縫的情況同樣能夠減小壩體上游面頂部?jī)啥思暗撞績(jī)啥说睦瓚?yīng)力和下游面壩趾的壓應(yīng)力，但沒(méi)有溫降工況明顯。

5、結(jié)論

本文以某碾壓混凝土拱壩工程為依托，根據(jù)壩體三維非線性有限元分析和裂縫計(jì)算結(jié)果，探討了碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫的設(shè)置問(wèn)題，對(duì)設(shè)置不同誘導(dǎo)縫形式的拱壩進(jìn)行了應(yīng)力分析。得出以下結(jié)論：

（1）由于降溫，體積收縮，壩體上下游面易出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，且主要在拱端位置，在壩肩底部也會(huì)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。因此本工程通過(guò)在拱壩相應(yīng)位置設(shè)置誘導(dǎo)縫削減其拉應(yīng)力的做法是合適的。

（2）實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，誘導(dǎo)縫不抗拉使拱的拉應(yīng)力得到部分釋放，從而對(duì)拱壩整體應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生影響。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)縫不抗拉對(duì)誘導(dǎo)縫附近應(yīng)力影響明顯，對(duì)壩體其他部位應(yīng)力狀態(tài)影響較小。

（3）在壩體上部拱兩端和壩肩底部拉應(yīng)力比較大的區(qū)域設(shè)置誘導(dǎo)縫，可有效消除該區(qū)域的表面拉應(yīng)力，其作用明確。由于誘導(dǎo)縫設(shè)置要考慮壩體結(jié)構(gòu)布置，不宜設(shè)置在壩體最大拉應(yīng)力斷面，但誘導(dǎo)縫位置越靠近最大拉應(yīng)力斷面其作用越明顯。

（4）對(duì)誘導(dǎo)縫在1/6～1/3削弱面積的范圍內(nèi)幾種削弱程度下的計(jì)算表明，不同的削弱程度對(duì)誘導(dǎo)縫釋放壩體應(yīng)力的程度差別不大，對(duì)壩體應(yīng)力分布規(guī)律影響也不大。

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