碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫的作用探討

【摘要】碾壓混凝土筑壩是近年來被廣泛采用的一種筑壩技術(shù)。本文分析了四川瀘州敘永倒流河水庫工程碾壓混凝土拱壩應(yīng)力場和縫端斷裂參數(shù)，以探討釋放應(yīng)力保護壩體的作用。

【關(guān)鍵詞】碾壓混凝土；拱壩；誘導(dǎo)縫

碾壓混凝土筑壩在近年來的筑壩實踐中得到飛速發(fā)展，但在許多工程中都不可避免的出現(xiàn)不同程度的溫度裂縫。因拱壩壩體應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和碾壓混凝土材料的不均勻性，壩體在溫度應(yīng)力作用下開裂時，很難確定究竟哪個斷面首先開裂，所以在碾壓混凝土拱壩中設(shè)置誘導(dǎo)縫來控制壩體的開裂。

一、誘導(dǎo)縫擴展的斷裂力學(xué)分析與計算

1、原理及參數(shù)。按線彈性斷裂力學(xué)理論，有縫結(jié)構(gòu)在荷載或其他外界因素作用下，裂縫尖端附近區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變具有的奇異性。為描述裂縫前緣的應(yīng)力場和位移場，采用應(yīng)力強度因子K這一參量，并以K作為裂縫縫端工作性態(tài)的指標(biāo)。根據(jù)加載的方式可將裂縫分為I型（張開型）、I型（錯動型）、Ⅲ型（撕開型），相應(yīng)的應(yīng)力強度因子分別記為，I型又分為張開型（I型）和壓縮型（-I型）。若裂縫同時存在2種或以上開裂形式，則稱為復(fù)合型斷裂問題。

裂縫縫端的應(yīng)力強度因子可通過數(shù)值計算方法得到，如斷裂有限元法等。表明了裂縫的工作性態(tài)，是否失穩(wěn)擴展還必須由K判據(jù)確定，即（1）式中為復(fù)合應(yīng)力強度因子，它是的組合值；是同種組合下的臨界值，在復(fù)合型中，是一條曲線，在I-Ⅱ-Ⅲ復(fù)合型中，是一曲面，曲線和曲面都可由對應(yīng)于單一的I型、I型、Ⅲ型斷裂臨界值確定。

2、計算模型。拱壩裂縫的開裂問題是一個三維斷裂問題。在垂直于徑向的鉛垂面內(nèi)，沿誘導(dǎo)縫取一狹長矩形，由誘導(dǎo)板構(gòu)成一串間斷縫，每條縫長均為誘導(dǎo)板的高，即一個碾壓層的厚度。用斷裂有限元法計算這一串縫在均勻拉應(yīng)力作用下各縫端的，以及在一沿方向的均勻剪應(yīng)力作用下各縫端的。同樣，在水平面內(nèi)沿誘導(dǎo)縫取一狹長壩段，由誘導(dǎo)板構(gòu)成的間斷縫，縫長與誘導(dǎo)板一樣長。計算在垂直于縫面的拉應(yīng)力作用下的，以及在沿方向的均勻剪應(yīng)力作用下的。通過誘導(dǎo)縫不同設(shè)置的計算比較，得出誘導(dǎo)縫的作用與誘導(dǎo)縫型式間的關(guān)系。如誘導(dǎo)縫每隔一二個澆筑層設(shè)置要比每層設(shè)置更合理。

二、誘導(dǎo)縫的作用探討

1、工程概況。四川某倒流河水庫工程為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高為60m，型體和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。該壩區(qū)夏季酷熱，日夜溫差較大，這種氣候極易引發(fā)壩體發(fā)生溫度裂縫。大壩采用全碾壓混凝土施工工藝，且為通倉鋪筑，實際澆灌只有330d，還包括了拱壩周圍其他壩體結(jié)構(gòu)的施工，澆筑進度相當(dāng)快，其誘導(dǎo)縫在施工期間已開裂，開裂位置與設(shè)計位置基本相符，即在誘導(dǎo)縫處開裂。采取了水管冷卻的溫控措施，同時壩體也較薄，散熱不是太困難，但總體上仍會引起較大的溫度應(yīng)力。因此，設(shè)計中采用了兩條誘導(dǎo)縫的分縫形式，以防止壩體其他部位的開裂。該壩誘導(dǎo)縫的構(gòu)造是在壩體中每隔1個澆筑層等間距地平行，埋設(shè)強度C20的碾壓混凝土從上游間斷地鋪向下游，造成人工縫隙，尺寸屬于短縫、短間距。誘導(dǎo)縫對斷面削弱1/3，削弱程度較大，開裂日期大約在施工完成后90天左右。

2、誘導(dǎo)縫的合理性及工作性態(tài)。為進行此項分析，做了如下幾方面工作：①比較大壩設(shè)與不設(shè)誘導(dǎo)縫兩種情況下壩體的應(yīng)力情況，以探討誘導(dǎo)縫對改善壩體應(yīng)力所起的作用。同時比較設(shè)誘導(dǎo)縫時不同削弱程度對壩體應(yīng)力的影響。②根據(jù)溫度應(yīng)力的計算成果，計算誘導(dǎo)縫縫端應(yīng)力強度因子，判斷誘導(dǎo)縫是否張開。③比較誘導(dǎo)縫不開裂和部分開裂兩種情況下壩體的應(yīng)力情況，以探討誘導(dǎo)縫開裂的影響和后果。計算按仿真計算進行，從施工期一直到運行期的若干個月，都按實際情況模擬。對誘導(dǎo)縫的模擬采用誘導(dǎo)縫單元，該單元考慮了斷面削弱的實際情況，對彈性模量作了相應(yīng)修正。對假定開裂的誘導(dǎo)縫段則用空單元模擬。

1）誘導(dǎo)縫的設(shè)置對壩體應(yīng)力的影響。通過計算分析可見，在施工期中，設(shè)與不設(shè)誘導(dǎo)縫兩種情況下壩體應(yīng)力的最大值均為1.6 MPa，發(fā)生的時間和位置都沒有變化，應(yīng)力分布也沒有變化，表明在施工期有無誘導(dǎo)縫并不影響不穩(wěn)定溫度場及相應(yīng)的溫度應(yīng)力。從蓄水期起，設(shè)與不設(shè)誘導(dǎo)縫兩種情況下壩體應(yīng)力開始有所差別，到蓄水期末這種差別已較明顯，的最大值已從不設(shè)縫的1.45 MPa下降到設(shè)縫的1.19 MPa，表明誘導(dǎo)已釋放了應(yīng)力。此外，應(yīng)力分布大體相同，但在拱壩端部，尤其是下半部，壓應(yīng)力有所減少，表明誘導(dǎo)縫的存在調(diào)整了壩體應(yīng)力。蓄水至正常水位并滿庫運行約240d后，這種差別更為明顯。滿庫運行約240d后，壩體應(yīng)力比蓄水期末更趨于均勻化，高應(yīng)力區(qū)范圍有所減少，這與不設(shè)誘導(dǎo)縫的情況大體相同，但更為明顯?？梢娖渲饕蚴菈误w水化熱散發(fā)所致，但也與誘導(dǎo)縫的應(yīng)力釋放有關(guān)。在設(shè)誘導(dǎo)縫的情況下，誘導(dǎo)縫部位以外的壩體中仍有拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)，最大拉應(yīng)力都發(fā)生在左右周邊縫底端附近，因而從此處引發(fā)開裂的可能性較大。

另外，對誘導(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算表明，不同的削弱程度對誘導(dǎo)縫釋放壩體應(yīng)力的程度有很小的差別，而對壩體應(yīng)力分布規(guī)律幾乎沒有影響。

2）誘導(dǎo)縫的斷裂力學(xué)分析。以拱壩產(chǎn)生最大拉應(yīng)力時最大拉應(yīng)力點所處的1697高程拱圈為對象，計算相應(yīng)的，此時均為負(fù)值，表明誘導(dǎo)縫呈壓緊狀態(tài)，而此時的明顯增大，最大達到，已超過。但此時裂縫是復(fù)合型的，應(yīng)采用復(fù)合型判據(jù)，即應(yīng)采用式（2）進行判斷。此時該縫的將及代入式（2）可得，左邊<右邊，但已很接近。說明此時縫仍未擴展，但已接近臨界狀態(tài)。若此時恰逢冷空氣或寒流的影響，則有可能造成誘導(dǎo)縫發(fā)生以I型成分為主的擴展。

3）誘導(dǎo)縫的開裂對壩體應(yīng)力的影響。若左右誘導(dǎo)縫在施工期均已從下部開裂，則在施工期末，由于應(yīng)力釋放，壩體中的拉應(yīng)力將大為降低，從1.6 MPa降低至1.0 MPa。若左右誘導(dǎo)縫在施工期末從下部開裂，則在蓄水期末，開裂段的上下端部將出現(xiàn)應(yīng)力集中，即在已開裂部位的兩端均可能繼續(xù)擴展。因上端以上埋有誘導(dǎo)板，仍是削弱的斷面，故向上擴展很可能仍在誘導(dǎo)縫斷面內(nèi)。但在下端以下，因未設(shè)誘導(dǎo)縫，故向下擴展必將進入壩體，引起壩體開裂。

三、結(jié)語

近年來，隨著建壩數(shù)量的增加和規(guī)模的日益龐大，碾壓混凝土拱壩帶來的溫度應(yīng)力問題更加復(fù)雜，增加出現(xiàn)裂縫的可能。因此，誘導(dǎo)縫作為一種結(jié)構(gòu)措施在許多工程中都有所應(yīng)用，并收到了良好的應(yīng)力釋放效果。

參考文獻：

[1]馬黔.碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫研究[J].水利發(fā)電，2016.