考慮溫度場(chǎng)的混凝土面板壩應(yīng)力變形分析

姬雪竹，吳明洋（.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；.重慶水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 4060）

考慮溫度場(chǎng)的混凝土面板壩應(yīng)力變形分析

姬雪竹1，吳明洋2
（1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160）

以某混凝土面板堆石壩為例，進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合計(jì)算，分析壩體和面板的應(yīng)力變形，以及壩體變形對(duì)面板的影響.結(jié)果顯示：壩體的最大水平位移和最大沉降發(fā)生在壩體上游面中部；壩體最大主應(yīng)力發(fā)生在壩體底部，且隨季節(jié)溫度升高而增大，壩體最小主應(yīng)力發(fā)生在壩頂防浪墻，壩體內(nèi)部無(wú)拉應(yīng)力；面板最大拉應(yīng)力發(fā)生在距壩底1/2處，位于正常運(yùn)行期的庫(kù)水位以下，混凝土性能易弱化導(dǎo)致面板損毀，所以面板開裂在此處發(fā)生的可能性最大.

混凝土面板堆石壩；溫度場(chǎng)；耦合；應(yīng)力變形

混凝土面板堆石壩是一種以堆石為壩體主體、混凝土面板為上游防滲層的壩型[1-2]，控制壩體變形是混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[3].壩體變形與面板趾板的應(yīng)力變形有著密切的關(guān)系.當(dāng)壩體的應(yīng)力變形導(dǎo)致面板開裂、壩體滲漏時(shí)，不僅嚴(yán)重威脅壩體穩(wěn)定性[4]，而且嚴(yán)重制約混凝土面板堆石壩的推廣應(yīng)用.因此，討論壩體變形對(duì)面板的應(yīng)力影響對(duì)面板壩的安全性有著極其重要的作用.

一般對(duì)混凝土面板堆石壩的應(yīng)力計(jì)算只考慮壩體自重和面板自重，或只考慮溫度場(chǎng)的變化引起的壩體應(yīng)力變化[5].但是，混凝土面板為壩體重要的防滲結(jié)構(gòu)，其安全性具有十分重要的意義，所以，要綜合考慮多種荷載因素對(duì)壩體應(yīng)力變形的影響才能更準(zhǔn)確地分析工程的安全性與可行性[6].本文以西南地區(qū)某混凝土面板堆石壩為例，計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合，分析壩體和面板運(yùn)行期的應(yīng)力變形.

1 模型與參數(shù)

1.1 典型斷面選取

該工程的壩體材料從面板以下依次分為墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、特殊墊層區(qū)和下游堆石棱體，在面板上游408.0 m高程以下設(shè)有粘土鋪蓋和土石渣蓋重區(qū).為反映壩體各部位的穩(wěn)定狀態(tài)和力學(xué)性質(zhì)，本文選取距離左岸119.4 m、岸138.6 m的最大斷面為計(jì)算斷面，見圖1.

圖1 最大典型斷面簡(jiǎn)圖

1.2 計(jì)算網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模有顯著影響，綜合考慮后采取全局的種子密度為4，網(wǎng)格尺寸約為4 m.采用ABAQUS中最為靈活的自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，網(wǎng)格類型選取CPE4平面4節(jié)點(diǎn)應(yīng)變單元.最終，生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)889個(gè)，單元總數(shù)835個(gè)（其中3節(jié)點(diǎn)單元CPE3有30個(gè)）.

1.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)該工程的壩址工程地質(zhì)與水文地質(zhì)資料，考慮防洪、供水、灌溉、電站動(dòng)能指標(biāo)等多種因素，選取水庫(kù)正常蓄水位448.00 m、汛期運(yùn)用水位438.00 m、死水位422.00 m.該工程流域的主要?dú)夂蛱卣魇谴杭練鉁鼗厣臁⑾臒岫喾?、秋涼綿雨多、冬季干冷.由于該大壩已運(yùn)行多年，所以只需考慮季節(jié)溫度變化引起的壩體溫度場(chǎng)變化，而不考慮混凝土水化熱作用.因此，以月為單位進(jìn)行計(jì)算，采用表1的多年平均氣溫，探討在年周期性溫度變化下，該面板堆石壩的溫度應(yīng)力分布的變化.

表1 各月份的多年平均氣溫

根據(jù)工程資料和相關(guān)參考文獻(xiàn)，可確定壩體材料的相關(guān)熱學(xué)性能（見表2）.

表2 壩體熱學(xué)性能參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)該混凝土面板堆石壩進(jìn)行靜力計(jì)算分析，采用Mohr-Coulomb模型，考慮運(yùn)行期正常蓄水位產(chǎn)生的水壓力與壩體自重，綜合大氣溫度、庫(kù)水溫和地溫的影響，對(duì)面板堆石壩進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真分析，得到考慮溫度影響的壩體應(yīng)力變形.為方便分析，在壩體上選取了位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D，應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)E、F、G、H，具體位置如圖2所示.2.1 壩體變形

圖2 壩體監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取示意圖

壩體水平位移符合一般規(guī)律，A、B、C、D 4個(gè)參考點(diǎn)都朝向下游，原因是壩體水平位移主要是由蓄水運(yùn)行而產(chǎn)生，最大值出現(xiàn)在上游壩體表面中部（點(diǎn)B處）.考慮溫度應(yīng)力作用下，全年壩體水平位移分布趨勢(shì)保持一致（圖3-a），溫度作用明顯.

壩體豎向位移也主要因蓄水運(yùn)行而產(chǎn)生，考慮溫度應(yīng)力作用下，點(diǎn)B出現(xiàn)壩體沉降，A、C、D 3點(diǎn)處沒(méi)有沉降發(fā)生.全年壩體豎向位移分布趨勢(shì)保持一致（圖3-b），溫度作用明顯.

圖3 一月份壩體水平位移（U1）和豎直位移（U2）分布圖

圖4-a體現(xiàn)了在不同月份溫度影響下，壩體典型監(jiān)控點(diǎn)的水平位移變化.壩體水平位移最顯著在點(diǎn)B，位移達(dá)到4 cm左右，A、C、D的位移變化相近，位移為2 cm左右.

縱觀各監(jiān)測(cè)點(diǎn)全年的位移變化，可以看出，隨著1～8月氣溫回升，壩體位移有向上和向兩側(cè)膨脹的趨勢(shì)，監(jiān)控點(diǎn)A和C位于壩頂兩側(cè)，因此水平位移相差不大；監(jiān)測(cè)點(diǎn)B水平位移主要受到靜水壓力作用影響，氣溫回升產(chǎn)生的壩體應(yīng)力和靜水壓力產(chǎn)生的壩體應(yīng)力方向相反，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn) A、B、C水平位移都減小，在8月附近達(dá)到最小值；而監(jiān)測(cè)點(diǎn)D位于下游壩坡中部，氣溫回升產(chǎn)生的壩體應(yīng)力和靜水壓力產(chǎn)生的壩體應(yīng)力方向相同，因此水平位移增大，在8月達(dá)到最大值，為2.04 cm.隨著8～12月氣溫降低，壩體位移有收縮的趨勢(shì)，因此水平位移呈現(xiàn)相反趨勢(shì).

圖4-b體現(xiàn)了在不同月份溫度影響下，壩體典型監(jiān)控點(diǎn)的豎向位移變化.隨1～8月氣溫回升，壩體位移有向上和向兩側(cè)膨脹的趨勢(shì)，壩體沉降相應(yīng)減小，在8月附近達(dá)到最小；隨著8～12月氣溫下降，壩體位移有收縮的趨勢(shì)，因此豎向位移呈現(xiàn)相反趨勢(shì).

圖4 壩體代表點(diǎn)的水平位移和豎向位移

考慮蓄水對(duì)壩體變形的影響，庫(kù)水對(duì)水面以下的壩體部分有保溫作用，點(diǎn)D位于水下部分，不易受到氣溫影響.所以，水面以下部分隨氣溫變化并不顯著.

2.2 壩體應(yīng)力

由圖5可知，E、F、G、H點(diǎn)一年中變化較小，隨高程降低而大主應(yīng)力升高.從整體分布上看，壩體基本上都是壓應(yīng)力，壩體下側(cè)的壓應(yīng)力最大.壩體大主應(yīng)力在主堆石區(qū)和次堆石區(qū)內(nèi)都分布均勻，極值分布在底部基礎(chǔ)的中間.壩體出現(xiàn)了應(yīng)力集中，但是沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域.受到環(huán)境溫度影響，壩體應(yīng)力場(chǎng)也隨著溫度改變而變化，大主應(yīng)力極值在1月最小，達(dá)到1.57 MPa；8月最大，達(dá)到1.98 MPa.隨著從1月到8月的氣溫回升，壩體材料熱脹冷縮，壓力也相應(yīng)增大.

壩體內(nèi)部4個(gè)參考點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力集中在壩頂防浪墻處，防浪墻為混凝土構(gòu)件，與大氣直接接觸，易受氣溫變化的影響，壩體應(yīng)力場(chǎng)也隨著溫度改變而變化，小主應(yīng)力大小在9月最大，達(dá)到- 0.244 MPa ；1月最小，達(dá)到- 0.112 MPa.全年拉應(yīng)力極值變化都在安全范圍內(nèi)，均能滿足抗拉強(qiáng)度要求（圖6）.2.3 壩體面板

圖5 壩體代表點(diǎn)大主應(yīng)力

圖6 壩體全年最小主應(yīng)力變化

面板是澆注在上游壩坡的堆石體之上的混凝土板，其具有長(zhǎng)度較長(zhǎng)，厚度較薄，結(jié)構(gòu)面暴露等特點(diǎn).以上特點(diǎn)決定了其對(duì)環(huán)境溫度和濕度的變化影響更為敏感，易于產(chǎn)生溫度裂縫.根據(jù)月平均氣溫進(jìn)行分析計(jì)算，得出1～12月面板最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的大小與位置分布.計(jì)算結(jié)果如圖7所示.

圖7 壩體全年應(yīng)力極值變化

最大主應(yīng)力分布較為規(guī)律，7～10月集中分布在趾板處，其余月份分布在距壩底1/3～1/2處.最小主應(yīng)力分布類似于大主應(yīng)力分布，7～8月集中分布在面板頂部，其余月份分布在距壩底1/3～1/2處.

面板為混凝土材質(zhì)，抗壓性能好而抗拉性能較差.1月面板最大拉應(yīng)力在面板中下部，值為-0.234 MPa.由于1月環(huán)境溫度最低，在低溫下會(huì)產(chǎn)生收縮變形，而面板又受到面板邊界約束，因而在面板中就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力分布，當(dāng)超過(guò)面板抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生面板溫度裂縫.從拉應(yīng)力極值分布來(lái)看，裂縫可能開展于氣候較寒冷的1月和12月，位置可能分布在面板的中偏下部分.

3 結(jié)論

壩體在運(yùn)行期的變形與溫度有著密切的關(guān)系，壩體不同位置隨著溫度變化會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力變形差異.由于熱脹冷縮效應(yīng)，當(dāng)氣溫上升時(shí)，壩體水平位移有減小的趨勢(shì)，壩體豎直位移有增大的趨勢(shì)，當(dāng)氣溫下降時(shí)，趨勢(shì)反之.由于庫(kù)水的保溫效應(yīng)，在庫(kù)水位以下的壩體變形受溫度影響較小.壩體最大主應(yīng)力隨溫度升高而升高，最小主應(yīng)力一般發(fā)生在壩頂易受溫度影響的位置.面板最小主應(yīng)力主要分布在距壩底1/3～1/2面板處，水流氣溫容易降低混凝土性能導(dǎo)致面板損毀，損毀位置可能在最大拉應(yīng)力處，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)此位置進(jìn)行處理.

本文僅對(duì)正常蓄水位工況進(jìn)行計(jì)算，沒(méi)有考慮水位變化對(duì)壩體變形應(yīng)力的影響.綜合考慮溫度變化和水位變化，對(duì)壩體應(yīng)力變形的影響仍可繼續(xù)討論.

[1]蔣國(guó)澄.中國(guó)混凝土面板堆石壩20年[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[2]水布婭面板堆石壩前期關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究編寫委員會(huì).水布埂面板堆石壩前期關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[3]王瑞駿，王黨在，陳堯龍.混凝土面板堆石壩施工期面板溫度應(yīng)力仿真分析[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，32(10):123-126.

[4]王瑞駿，王黨在，陳堯龍.寒潮冷擊作用下堆石壩混凝土面板溫度應(yīng)力研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004,23(6): 46-49.

[5]陳開道.混凝土面板堆石壩面板分期施工的結(jié)構(gòu)計(jì)算[J].人民長(zhǎng)江，1995,26(8):7-11.

[6]于森，王瑞駿.公伯峽面板堆石壩施工期面板溫度應(yīng)力研究[J].水利水電技術(shù)，2004,35(8):54-58.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

An Analysis of Stress and Deformation of Concrete Face Rockfill Dams with Temperature Fields Taken into Consideration

JI Xue-zhu,WU Ming-yang
(1.Hehai College,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China; 2.Department of Hydraulic Engineering,Chongaing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160,China)

Taking a concrete dam as an example,the coupling of the stress field and temperature field are calculated,the stress of the dam body and surface and the effect of dam deformation on the dam face are analyzed.The results show that the maximum horizontal displacement and the maximum settlement occurs in the middle of the upper reaches of the dam;the dam body maximum principal stress occurs at the bottom of the dam,and increased with the rise of season temperatures;the dam minimum principal stress occurs on the wave wall on the dam crest,and inside the dam there is no tensile stress;the maximum face tensile stress occurs at the position half-way between the top and bottom of the dam,which is under water during the normal operation period of the reservoir,and at which concrete performance tends to weaken resulting in damage to the face of the dam and cracking in the most likely.

concrete face rock fill dam;temperature fields;coupling;stress deformation

TV641.4

A

1006-7302（2016）03-0025-05

2016-03-11

姬雪竹（1990—），男，河南新鄉(xiāng)人，在讀碩士生，研究方向?yàn)樗こ獭⒔Y(jié)構(gòu)工程.