碾壓混凝土壩碾壓層厚對(duì)層間面特性影響研究

燕 喬 宋志誠(chéng) 張利雷 張勝利 駱祚森

（三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

碾壓混凝土重力壩是采用超干硬性、無塌落度混凝土、大面積薄層連續(xù)澆筑，然后在層面上振動(dòng)壓實(shí)的施工方法，具有大倉(cāng)面快速施工、減少水泥用量，簡(jiǎn)化溫控措施等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程中得到了廣泛的應(yīng)用［1］.但由于碾壓混凝土施工工藝、層間間歇時(shí)間及層間處理方式等因素，可能使碾壓混凝土壩層間面成為整體的軟弱結(jié)構(gòu)面［2］.而層面影響帶將成為影響碾壓混凝土壩強(qiáng)度、穩(wěn)定和滲流的關(guān)鍵部位［3－4］.根據(jù)以往工程實(shí)例和實(shí)驗(yàn)可知，碾壓混凝土本體強(qiáng)度不低于常態(tài)混凝土，而層間面強(qiáng)度往往低于本體強(qiáng)度，所以層間缺陷直接影響到壩體的整體性和安全性，故有必要針對(duì)碾壓混凝土層間面軟弱面特性進(jìn)行研究.

本文針對(duì)碾壓混凝土層間面軟弱面問題，運(yùn)用abaqus有限元軟件，結(jié)合烏弄龍碾壓混凝土壩，對(duì)不同碾壓層厚度的壩體進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出碾壓層厚度對(duì)大壩應(yīng)力、位移分布的影響規(guī)律，為以后大壩層厚的選取、層面處理方式的設(shè)計(jì)與施工提供參考依據(jù).

1 碾壓混凝土壩計(jì)算模型的建立及相關(guān)參數(shù)的選取

1.1 有限元模型的建立

烏弄龍碾壓混凝土壩壩頂高程1 909.5m，最大壩高為137.5m，壩體上游面鉛直，下游面坡度為0.72，最大擋水壩段為10號(hào)壩段，其建基面高程為1 785m，其最大壩高為124.5m.本文利用有限元建模分析時(shí)，取10號(hào)壩段，沿壩體上下游方向取2倍壩高，壩基深度方向取兩倍壩高，碾壓層厚度分別取30 cm、50cm、70cm，層間面厚度取2cm，壩體模型的混凝土、基巖、墊層、碾壓層面等均采用平面應(yīng)變縮減積分單元（CPE4）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且層面與本體碾壓混凝土之間具體接觸情況很難真實(shí)的模擬，故采用剛性連接，有限元網(wǎng)格如圖1所示.

1.2 荷載工況

為了方便計(jì)算，本文只考慮水壓荷載，只對(duì)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位分別進(jìn)行分析，工況具體情況見表1.

圖1 有限元網(wǎng)格

表1 荷載工況

1.3 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)烏弄龍碾壓混凝土壩相關(guān)設(shè)計(jì)資料，層面材料參數(shù)按C9015碾壓混凝土力學(xué)參數(shù)考慮，同時(shí)本文為計(jì)算簡(jiǎn)便對(duì)基巖進(jìn)行均質(zhì)簡(jiǎn)化并認(rèn)為為彈塑性材料，壩體混凝土為彈性材料，烏弄龍各區(qū)混凝土和基巖物理力學(xué)參數(shù)具體情況見表2.

表2 各區(qū)混凝土力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

本節(jié)通過對(duì)3種有限元模型靜力分析，最終得出在不同工況下應(yīng)力、位移大小及分布規(guī)率.從中可以得出：在不同計(jì)算工況下，壩體應(yīng)力、位移具有相同的變化趨勢(shì)，所以本節(jié)分析時(shí)選擇具有代表性的工況（設(shè)計(jì)洪水位）進(jìn)行分析，即對(duì)設(shè)計(jì)洪水位時(shí)碾壓層厚度對(duì)壩體應(yīng)力、位移云圖進(jìn)行對(duì)比分析，探討在相同工況下大壩應(yīng)力、位移分布規(guī)律以及碾壓層厚度對(duì)壩體應(yīng)力、位移分布的影響.

2.1 設(shè)計(jì)洪水時(shí)壩體應(yīng)力分布分析

根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)洪水時(shí)壩體各主應(yīng)力、各分應(yīng)力分布的分析，主應(yīng)力、各項(xiàng)分應(yīng)力分布大體一致，都呈現(xiàn)出隨著碾壓層厚度的增加稍有小幅度的提高，但相差不大，故下面僅給出第一主應(yīng)力云圖，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，具體分布如圖2所示.

圖2 設(shè)計(jì)洪水位時(shí)第一主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

從上述不同碾壓層厚壩體第一主應(yīng)力云圖分析可得：1）當(dāng)碾壓層厚度為30cm時(shí)，最大拉應(yīng)力為1.981MPa，最大壓應(yīng)力為0.605MPa；當(dāng)碾壓層厚度為50cm時(shí)，最大拉應(yīng)力為1.981MPa，最大壓應(yīng)力為0.604MPa；當(dāng)碾壓層厚度為70cm時(shí)，最大拉應(yīng)力為1.984MPa，最大壓應(yīng)力為0.522MPa；2）3種模型的第一主應(yīng)力分布情況大體一致，且都未超出混凝土抗拉強(qiáng)度指標(biāo)（2.2MPa左右）；3）在此工況下碾壓混凝土大壩壩踵附近出現(xiàn)小區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力達(dá)到1.7MPa，具有被拉裂的可能；4）隨著碾壓層厚度的增加壩體應(yīng)力逐漸上升的趨勢(shì)，但上升的趨勢(shì)較??；5）隨著碾壓層厚度的增加，受壓區(qū)的面積在逐漸增大，對(duì)防止壩體開裂具有一定的抑制作用，說明增加碾壓層厚度對(duì)壩體分布較為有利，大壩此情況下運(yùn)行較為安全；6）隨著碾壓層厚的增加在壩踵附近出現(xiàn)拉應(yīng)力并呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，在壩址附近出現(xiàn)壓力有減小的趨勢(shì).

2.2 設(shè)計(jì)洪水時(shí)壩體層間切向應(yīng)力分布分析

根據(jù)對(duì)不同工況時(shí)壩體切向切向應(yīng)力對(duì)比分析可知，壩體層面切向應(yīng)力分布呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，隨著碾壓層厚的增加切向應(yīng)力有增大趨勢(shì)，下面僅對(duì)設(shè)計(jì)洪水時(shí)壩體層面切向應(yīng)力進(jìn)行分析，具體情況分布如圖3所示.

圖3 設(shè)計(jì)洪水位時(shí)x方向切應(yīng)力云圖（單位：Pa）

從上述3種不同碾壓層厚的碾壓混凝土壩模型切向應(yīng)力云圖可知：1）當(dāng)碾壓層厚度為30cm時(shí)，切應(yīng)力最大值為1.083MPa，最小值為－2.438MPa；當(dāng)碾壓層厚度為50cm時(shí)，切應(yīng)力最大值為1.089MPa，最小值為－2.439MPa；當(dāng)碾壓層厚度為70cm時(shí)，切應(yīng)力最大值為1.117MPa，最小值－2.539MPa.2）3種不同碾壓層厚的碾壓混凝土壩切應(yīng)力總體分布呈規(guī)律性分布，且大體一致.3）隨著碾壓層厚度的增加，壩體沿高度方向整體強(qiáng)度增大，變形減小，故切應(yīng)力有增大的趨勢(shì).

2.3 設(shè)計(jì)洪水時(shí)壩體位移分布分析

根據(jù)對(duì)不同工況時(shí)壩體總體位移、各分位移分析對(duì)比分析可知，壩體總體位移、各位移都呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即都隨著碾壓層厚的增加壩體位移呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，下面僅對(duì)設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的總體位移進(jìn)行對(duì)比分析，具體分布情況如圖4所示.

圖4 設(shè)計(jì)洪水位時(shí)壩體總位移云圖（單位：m）

從上述3種不同碾壓層厚的碾壓混凝土壩模型總位移云圖可知：1）當(dāng)碾壓層厚度為30cm時(shí)，總位移最大值為4.89cm，最小值為3.42cm；當(dāng)碾壓層厚度為50cm時(shí)，總位移最大值為4.89cm，最小值為3.42cm；當(dāng)碾壓層厚度為70cm時(shí)，總位移最大值為4.78cm，最小值3.38cm.2）3種不同碾壓層厚的碾壓混凝土壩位移總體分布呈規(guī)律性分布，且大體一致.3）3種不同碾壓層厚在荷載作用下，壩體最小位移都出現(xiàn)在壩基附近，最大位移都出現(xiàn)在壩頂附近，且大小相差不大；隨著碾壓層厚的增加，壩基面的位移有減小的趨勢(shì)，壩頂位移同樣有減小的趨勢(shì).4）隨著碾壓層厚度的增加，位移有減小的趨勢(shì)，故增加碾壓層厚度，對(duì)控制壩體變形較為有利.

綜上所述，隨著碾壓層厚度的增加，壩體各區(qū)應(yīng)力、位移都呈現(xiàn)出規(guī)律性分布，且數(shù)值相差不大，同時(shí)隨著水位的增高，碾壓混凝土壩壩踵附近拉應(yīng)力有向?qū)娱g面集中的趨勢(shì)，故層間面強(qiáng)度對(duì)壩體穩(wěn)定有至關(guān)重要，同時(shí)應(yīng)對(duì)壩踵附近層間面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)措施，以便更好的保障大壩安全.

3 結(jié) 論

碾壓混凝土由于施工工藝等特點(diǎn)，致使壩體存在層間軟弱面，而這些軟弱面對(duì)壩體應(yīng)力和位移總體分布會(huì)產(chǎn)生一定影響.通過本文研究成果可知，隨著碾壓層厚度的增加，應(yīng)力略微增加的趨勢(shì)，但壓力區(qū)的范圍明顯增加，而位移略有減小的趨勢(shì)，所以增加碾壓層厚，可使大壩安全得到更好的保障.同時(shí)如根據(jù)工程實(shí)際可增加碾壓層厚度，加快工程進(jìn)度使工程盡早產(chǎn)生效益等，所以在碾壓混凝土設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選取合理的較大的碾壓層厚度.

［1］ 張光斗.碾壓混凝土筑壩新技術(shù)［J］.水力發(fā)電，1993（1）：86－98.

［2］ 姜福田.碾壓混凝土壩的層面與影響［J］.水利水電技術(shù)，2008，39（2）：19－21.

［3］ 彭友文，顧沖時(shí)，吳中如.碾壓混凝土壩層面影響帶厚度分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2005，22（4）：59－61.

［4］ 朱俊松，訾進(jìn)甲，劉 峽，等.等殼碾壓混凝土重力壩層間抗滑穩(wěn)定可靠度分析［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2011（1）：115－118.