擠壓邊墻在竣工期和蓄水期對混凝土面板砂礫石壩的影響分析

王 鵬

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

文章編號：1006—2610(2015)01—0046—03

擠壓邊墻在竣工期和蓄水期對混凝土面板砂礫石壩的影響分析

王 鵬

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

結(jié)合新疆某一采用擠壓邊墻施工技術(shù)的混凝土面板砂礫石壩工程，對蓄水期工況下有擠壓邊墻和無擠壓邊墻的混凝土面板壩進行三維非線性有限元分析，得出擠壓邊墻改善了混凝土面板壩的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，對混凝土面板和壩體都是有利的。

擠壓邊墻；面板砂礫石壩；有限單元法；應(yīng)力;變形

0 前 言

面板堆石壩上游坡面?zhèn)鹘y(tǒng)的施工方法是先進行水平分層碾壓，待墊層料鋪填至一定高度后，反復(fù)進行斜坡碾壓和機械及人工削坡直至符合設(shè)計坡面要求，之后根據(jù)面板分期情況分次對坡面采用碾壓砂漿和瀝青噴涂防護。傳統(tǒng)的施工方法客觀上存在墊層區(qū)斜坡面密實度難以保證、上游坡面施工工序復(fù)雜、坡面長期無防護、面板混凝土施工期的選擇受制約等不利因素，這些因素又直接影響著工程進度、質(zhì)量和工程經(jīng)濟性。而擠壓式邊墻技術(shù)改善了這些不利因素，它借鑒道路園林工程中道沿機的擠壓滑模原理，創(chuàng)出這種面板壩墊層料坡面施工新方法，即在每一層壩料(墊層料)填筑以前在上游壩坡面，應(yīng)用擠壓機形成一道混凝土小墻，然后再在其內(nèi)回填墊層料、過渡料并整平，一般在邊墻成型2 h后即可進行墊層料碾壓[1]。對于擠壓邊墻在施工方面的優(yōu)點是明顯的，但對其是否會因增加約束而使面板混凝土更易于裂縫，目前尚無明確定論[8]。

1 工程概況

本樞紐工程由右岸溢洪道、泄洪洞、攔河壩、發(fā)電引水系統(tǒng)以及電站廠房等幾個主要建筑物組成。攔河壩為混凝土面板砂礫石壩，最大壩高129.4 m，壩頂長475 m。混凝土面板采用C30F300W12。趾板型式采用水平趾板。大壩典型橫剖面如圖1所示。其中ⅡA為墊層料，ⅢB為砂礫石料[7]。

圖1 大壩典型橫剖面圖

2 計算模型及參數(shù)

模型的單元形式均為三維八節(jié)點六面體單元，無擠壓邊墻三維有限元模型和有擠壓邊墻三維有限元模型分別劃分了16 432個節(jié)點、14 694個單元和19 845個節(jié)點、16 350個單元，壩基均視為不變形剛體。壩體堆石材料的計算采用的是DuncanE-B模型，其各個參數(shù)值如表1所示。混凝土面板按線彈性材料考慮，密度2 500 kg/m3，彈性模量20 000 MPa，泊松比為0.2。擠壓邊墻也按線彈性材料考慮，密度為2 400 kg/m3，彈性模量為6 600 MPa，泊松比為0.27。接觸面模型的材料參數(shù)為：彈性模量為4 800 MPa，彈性模量指數(shù)為0.56，破壞比為0.74，摩擦角為36°。

表1 鄧肯-張模型計算參數(shù)表

圖2 擠壓邊墻結(jié)構(gòu)圖

由于擠壓邊墻結(jié)構(gòu)尺寸很小，且邊界形狀不規(guī)則，在進行有限元網(wǎng)格劃分時比較復(fù)雜，故對擠壓邊墻的形狀進行簡化，其實際結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，簡化后的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。從許多已建工程可以看出，擠壓邊墻屬于干硬性混凝土，一般按照低強度、低彈性模量，滲透系數(shù)1×10-3～1×10-4cm/s控制[8]，但是其材料性質(zhì)與土料相比還是存在較大差別，所以擠壓邊墻的模型依然視作混凝土材料，按線彈性材料考慮。

3 計算結(jié)果對比

圖3 擠壓邊墻計算圖

通過模擬分析，可以得出壩體在竣工期時壩體某斷面最大水平位移、豎直位移、最大斷面大主應(yīng)力和混凝土面板的撓度、軸向應(yīng)力和順坡向應(yīng)力值。同樣對蓄水期進行模擬，可以得出在竣工期和蓄水期有無擠壓邊墻壩體和混凝土面板相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變的特性，詳見表2、3。

表2 壩體應(yīng)力變形最大值對比表

表3 混凝土面板應(yīng)力變形最大值對比表

4 結(jié) 語

(1) 擠壓邊墻對壩體的影響

通過對比分析可以看出：壩體在有擠壓邊墻和無擠壓邊墻2種情況下，擠壓邊墻總體上減小了壩體的變形，尤其是在蓄水期效果更加明顯，也減小了壩體內(nèi)的應(yīng)力分布，這說明了擠壓邊墻對壩體的變形有抑制作用，但是壩體應(yīng)力和變形的變化非常小，這種作用不夠明顯。所以，通過以上分析可以得出：擠壓邊墻對壩體的應(yīng)力和變形總體影響不大。

(2) 擠壓邊墻對混凝土面板的影響

同樣通過對比可以看出：混凝土面板在有擠壓邊墻和無擠壓邊墻2種情況下，在竣工期，擠壓邊墻的存在使得混凝土面板的軸線應(yīng)力、撓度以及順坡向應(yīng)力都有所降低，面板的應(yīng)力、變形狀態(tài)得到改善和抑制，在蓄水期的時候，這種改善效果更加明顯，特別是有擠壓邊墻時面板的壓應(yīng)力水平減小得很多。通過以上分析可以得出：擠壓邊墻的存在對混凝土面板和壩體都是有利的，特別對混凝土面板的作用尤為顯著，這也說明了擠壓邊墻不僅沒有對混凝土面板造成不利影響，反而能夠改善了混凝土面板的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，而且這種改善效果在蓄水期尤為明顯。

[1] 劉超.壓式邊墻對混凝土面板影響的三維有限元分析[D].西安:西安理工大學(xué),2005.

[2] 華東水利學(xué)院土力學(xué)教研室.土工原理與計算[M].北京：水利出版社,1980:290-292.

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[8] 劉思遠(yuǎn).擠壓邊墻對混凝土面板砂礫石壩的影響分析[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[9] 蔣國澄.中國混凝土面板壩20年[M].北京：中國水利水電出版社,2005:16-17.

Analysis on Impacts on Concrete Face Sandy Gravel Dam by Extruded Side Wall in Completion and Impoundment Periods

WANG Peng

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

One concrete face sandy gravel dam in Xinjiang applies the construction technology of the extruded side wall. The concrete face rockfill dam in the impoundment period, with and without the extruded side wall, is analyzed by 3D nonlinear finite element method, which presents that the extruded side wall improves the CFRD stress and strain. The application of the extruded side wall is benefit for both the concrete face and the dam.

extruded side wall; concrete face sandy gravel dam; finite element method; stress; deformation

2014-08-12

王鵬(1987- ),男,新疆烏魯木齊市人，碩士研究生，從事水利水電工程設(shè)計工作.

TV641.4+3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.012