折線型面板壩壩軸線轉(zhuǎn)折處面板連接方式研究

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

折線型面板壩壩軸線轉(zhuǎn)折處面板連接方式研究

張勇

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

由于壩址處特殊河谷形狀等原因，混凝土面板堆石壩的壩軸線往往需要布置成折線，造成混凝土面板不在一個(gè)平面上，使得混凝土面板的應(yīng)力變形性狀復(fù)雜。壩軸線轉(zhuǎn)折處兩側(cè)面板的連接方式是這類(lèi)面板壩設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題，不同的連接方式可能對(duì)面板的變形和應(yīng)力產(chǎn)生影響?；谀趁姘宥咽瘔喂こ?，采用三維彈塑性有限單元法計(jì)算分析了壩軸線轉(zhuǎn)折處采用直接連接和設(shè)置連接板連接兩種方式對(duì)面板應(yīng)力變形的影響，計(jì)算結(jié)果顯示，不同的連接方式對(duì)混凝土面板的應(yīng)力變形和面板接縫變位的影響不顯著。但壩軸線轉(zhuǎn)折處面板設(shè)置連接板時(shí)，兩側(cè)面板間的接縫止水結(jié)構(gòu)比不設(shè)置連接板直接連接時(shí)簡(jiǎn)單，所以這類(lèi)面板壩工程設(shè)計(jì)時(shí)在壩軸線轉(zhuǎn)折處以設(shè)置面板連接板為宜。圖3幅，表2個(gè)。

壩設(shè)計(jì)；折線型面板；面板堆石壩；應(yīng)力變形

1 概 述

在過(guò)去的30多年時(shí)間內(nèi)，混凝土面板堆石壩取得了快速發(fā)展，無(wú)論建壩數(shù)量還是建壩高度都有很大進(jìn)展［1］。同時(shí)，在深厚覆蓋層上［2］以及狹窄河谷［3］等復(fù)雜地質(zhì)地形條件下的面板壩建設(shè)也取得了較大的發(fā)展；隨著水電資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，將遭遇更多在復(fù)雜地形地質(zhì)條件下建造面板壩的情況。為了適應(yīng)壩址處河谷形狀或者地質(zhì)條件，壩軸線有時(shí)需要布置成折線；與通常直線布置的面板壩相比，折線型面板壩的受力條件更為復(fù)雜，壩軸線轉(zhuǎn)折處面板的連接方式對(duì)混凝土面板的應(yīng)力變形特性及面板接縫變位的影響值得重點(diǎn)關(guān)注。

某混凝土面板堆石壩工程壩址處河床和兩岸岸坡廣布覆蓋層，且覆蓋層的工程特性不夠理想，為了減少覆蓋層對(duì)壩體變形的影響，設(shè)計(jì)單位將壩軸線按折線布置，以盡量避開(kāi)覆蓋層。在壩軸線轉(zhuǎn)折處，左右兩側(cè)面板設(shè)計(jì)了2種不同的連接方式，其一是設(shè)置連接板連接（圖1a），其二是不設(shè)置連接板直接連接（圖1b）。為了研究該面板壩壩軸線轉(zhuǎn)折處面板連接方式對(duì)面板應(yīng)力變形的影響，確定合理的連接方式，本文采用三維有限元方法，針對(duì)直接連接和設(shè)置連接板兩種不同連接方式下面板的應(yīng)力變形以及兩側(cè)面板接縫變位進(jìn)行了研究；通過(guò)對(duì)比分析，建議了合理的連接方式。

圖1 壩軸線轉(zhuǎn)折處面板連接方式

2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

針對(duì)面板壩應(yīng)力變形的計(jì)算，目前堆石料的本構(gòu)模型主要有非線性彈性模型（包括DuncanE_V模型、DuncanE_B模型和各種K_G模型）和彈塑性模型兩大類(lèi)。DuncanE_B模型雖然不能像彈塑性模型一樣反映堆石體的剪脹、剪縮特性，且水平位移的計(jì)算值可能偏大，但其計(jì)算結(jié)果基本能夠反映壩體的應(yīng)力變形性狀；另外，人們對(duì)該模型的應(yīng)用和模型計(jì)算參數(shù)的確定已經(jīng)積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，故其至今仍被廣泛采用。本文在進(jìn)行壩體應(yīng)力變形分析時(shí)，堆石料的本構(gòu)模型選用DuncanE_B模型，其增量型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合廣義胡克定律，即：

模型存在2個(gè)變量，分別是切線楊氏模量Et和切線體積變形模量Bt，其表達(dá)式為［4］：

式中，Pa為大氣壓；K和Kb分別為楊氏模量系數(shù)和體積模量系數(shù)，n和m分別為切線楊氏模量Et和切線體積模量Bt隨圍壓σ3增加而增加的冪次；Rf為破壞比；Sl為應(yīng)力水平，其表達(dá)式為：

式中，c、υ為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

DuncanE_B模型有7個(gè)模型參數(shù)，即K、n、Rf、Kb、m、c和υ，可由室內(nèi)常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果整理。

計(jì)算中，混凝土結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型采用線彈性模型，混凝土結(jié)構(gòu)與堆石料之間的接觸面采用Goodman單元模擬，面板垂直縫采用分離縫模型模擬，面板周邊縫采用接縫單元模擬。

壩內(nèi)堆石料計(jì)算參數(shù)根據(jù)大型三軸試驗(yàn)資料整理得出（見(jiàn)表1）。面板混凝土標(biāo)號(hào)為C30，計(jì)算采用的混凝土面板的彈性模量和泊松比分別為E＝30 GPa，μ＝0.167，密度為2.50g／cm3。

表1 計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖2為蓄水期面板撓度和軸向位移等值線。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)不設(shè)置連接板時(shí)，壩軸線轉(zhuǎn)折處左側(cè)面板多數(shù)區(qū)域的軸向位移都指向右岸，位移最大值1.7cm。壩線轉(zhuǎn)折處右側(cè)面板的軸向位移呈現(xiàn)向面板中間擠壓的趨勢(shì)，指向左岸和指向右岸的軸向位移最大值分別為3.4cm和3.5cm。壩軸線轉(zhuǎn)折處左、右兩側(cè)面板在接縫兩側(cè)的撓度不連續(xù)，相對(duì)而言，右側(cè)面板的撓度較左側(cè)面板的撓度大，左、右兩側(cè)面板的最大撓度值分別為23.3cm和32.6cm；當(dāng)設(shè)置連接板時(shí)，連接板左側(cè)面板軸向位移基本指向右岸，連接板右側(cè)面板的軸向位移表現(xiàn)為向面板中間擠壓，位移值與不設(shè)連接板計(jì)算結(jié)果相當(dāng)。連接板與左、右兩側(cè)面板的撓度不連續(xù)，右側(cè)面板的撓度較左側(cè)面板的大些，左右兩側(cè)混凝土面板最大撓度值分別為22.5cm和32.4cm。

圖2 蓄水期面板變形等值線分布（單位：cm）

圖3 蓄水期面板應(yīng)力等值線分布（單位：MPa）

圖3 （a）為壩軸線轉(zhuǎn)折處不設(shè)連接板時(shí)蓄水期混凝土面板的軸向應(yīng)力和順坡向應(yīng)力分布圖（見(jiàn)圖3）。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)：壩軸線轉(zhuǎn)折處左側(cè)面板大部分區(qū)域壩軸向應(yīng)力為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力發(fā)生在面板左端以及壩線轉(zhuǎn)折處左右面板接縫頂部一定區(qū)域內(nèi)，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為1.14MPa和9.02MPa；壩軸線轉(zhuǎn)折處右側(cè)面板軸向應(yīng)力除右岸周邊縫附近有一個(gè)較小拉應(yīng)力區(qū)域外，基本都承受壓應(yīng)力作用，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為0.97MPa和14.3MPa。在壩軸線轉(zhuǎn)折處分縫左、右兩側(cè)面板的順坡向應(yīng)力在接縫兩側(cè)均存在拉應(yīng)力區(qū)域，同時(shí)在兩岸周邊縫附近存在很小的順坡向拉應(yīng)力區(qū)域，壩軸線轉(zhuǎn)折處左側(cè)面板順坡向最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為1.42MPa和6.8MPa；壩軸線轉(zhuǎn)折處右側(cè)面板順坡向最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為1.31MPa和9.5MPa。

圖3（b）給出了壩軸線轉(zhuǎn)折處設(shè)置連接板情況下蓄水期混凝土面板的軸向應(yīng)力和順坡向應(yīng)力分布（見(jiàn)圖3）。計(jì)算結(jié)果顯示：連接板左側(cè)面板在河床部位的軸向應(yīng)力為壓應(yīng)力，在左岸周邊縫附近有較小的拉應(yīng)力作用區(qū)域，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為1.19MPa和6.5MPa；連接板右側(cè)面板軸向應(yīng)力在面板與連接板接縫附近局部區(qū)域和右岸周邊縫附近部分區(qū)域存在拉應(yīng)力，面板大部分區(qū)域承受壓應(yīng)力作用，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為0.88MPa和11.5MPa。在壩軸線轉(zhuǎn)折處連接板與右側(cè)面板的接縫附近面板順坡向應(yīng)力存在較小拉應(yīng)力區(qū)域，同時(shí)在兩岸周邊縫附近存在很小的順坡向拉應(yīng)力區(qū)域。連接板左側(cè)面板順坡向最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為0.48MPa和8.1MPa，連接板右側(cè)面板順坡向最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為0.64 MPa和9.0MPa。

表2為兩種不同連接方式下面板應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果特征值（見(jiàn)表2）。計(jì)算結(jié)果表明，壩軸線轉(zhuǎn)折處兩側(cè)面板設(shè)置連接板與不設(shè)置連接板兩種情況下，混凝土面板的應(yīng)力變形總體差別不大。相對(duì)而言，設(shè)置連接板時(shí)面板變形略大；同時(shí)可以看出，設(shè)置連接板后，面板周邊縫三向位移最大值略有增加。在壩軸線轉(zhuǎn)折處，不設(shè)連接板時(shí)，左、右兩側(cè)面板由1條接縫相連；設(shè)置連接板后，左、右兩側(cè)面板分別與連接板相連。從左、右兩側(cè)面板連接縫變形性態(tài)來(lái)看，設(shè)置連接板后壩軸線轉(zhuǎn)折處接縫止水結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，較為有利。

表2 面板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果特征值

4 結(jié) 論

采用三維彈塑性有限單元法對(duì)某水電站混凝土面板堆石壩的應(yīng)力變形特性進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算，結(jié)果顯示，壩軸線轉(zhuǎn)折處不同連接方式對(duì)壩體的應(yīng)力變形以及對(duì)混凝土面板的應(yīng)力變形和面板周邊縫變位影響不大。從應(yīng)力變形角度出發(fā)，兩種連接方式都是可行的，但是壩軸線轉(zhuǎn)折處設(shè)置連接板時(shí)，接縫止水結(jié)構(gòu)比不設(shè)置連接板時(shí)簡(jiǎn)單；從便于施工和工程可靠性角度出發(fā)，在壩軸線轉(zhuǎn)折處設(shè)置連接板的方案更為合理。

［1］ 童 偉，任旭華．我國(guó)混凝土面板堆石壩建設(shè)概況［J］．水利水電科技進(jìn)展．2004，（24）：88_92．

［2］ 李國(guó)英，苗 喆，米占寬．深厚覆蓋層上高面板壩建基條件及防滲設(shè)計(jì)綜述［J］．水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)．2014（3）：1_6．

［3］ 李慶生．峽谷地區(qū)高面板堆石壩變形特點(diǎn)［J］．中南水利發(fā)電，2009（3）：8_10．

［4］ 陳慧遠(yuǎn)．土石壩有限元分析［M］．南京：河海大學(xué)出版社，1987．

責(zé)任編輯 吳 昊

2015－04－16

張 勇（1968－），男，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。

E_mail：zhangy963＠126.com