基于細(xì)觀尺度模型的碾壓混凝土重力壩力學(xué)分析研究

(凌源市興源街道水利站，遼寧 凌源 122500)

混凝土是當(dāng)前水利工程建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的非均質(zhì)準(zhǔn)脆性人工復(fù)合材料，孔隙、微裂縫和氣泡是影響其結(jié)構(gòu)性能的先天缺陷[1]。因此，混凝土破壞變形雖然具有突發(fā)性特征，但一般表現(xiàn)為內(nèi)部微裂縫連通匯聚的過程[2]。多年來，關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)破壞的理論研究一般將其視為均勻介質(zhì)，雖然取得了豐碩的研究成果，但并不能從本質(zhì)上揭示上述漸變過程導(dǎo)致宏觀裂縫的本質(zhì)規(guī)律。由此可見，細(xì)觀力學(xué)模型對完善和發(fā)展混凝土結(jié)構(gòu)理論具有重要的意義和價值，國內(nèi)外學(xué)者也在該領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，并提出了網(wǎng)格模型、隨機(jī)力學(xué)模型以及隨機(jī)骨料模型等一系列行之有效的混凝土細(xì)觀力學(xué)模型[3]。由于碾壓混凝土材料所特有的屬性，從細(xì)觀視角對其進(jìn)行力學(xué)分析，不僅可以探索和透視壩體的宏觀力學(xué)特性，還可以為大體積混凝土結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)以及非線性行為特征研究提供必要的理論基礎(chǔ)。

1 研究的基本理論

1.1 碾壓混凝土細(xì)觀變形行為特征

混凝土作為一種準(zhǔn)脆性人工材料，其結(jié)構(gòu)本身存在著微裂縫、孔隙等眾多隨機(jī)分布的缺陷，這些缺陷在內(nèi)外部因素作用下的演變過程也具有顯著的隨機(jī)性，因此其力學(xué)屬性具有明顯的統(tǒng)計學(xué)特征?；诖?，唐春安等學(xué)者的研究認(rèn)為混凝土材料的力學(xué)特征符合Weibull分布[4]，故本次研究也采用該分布進(jìn)行。

混凝土作為一種多孔介質(zhì)的人造復(fù)合材料，其內(nèi)部的孔隙與微裂紋分布狀態(tài)十分復(fù)雜，并且對混凝土材料的力學(xué)特征存在較大影響。一般認(rèn)為混凝土內(nèi)部的孔隙率越大，其彈性性能和強(qiáng)度就越弱。因此，孔隙率的變化對研究結(jié)果的影響是不容忽視的。關(guān)于骨料空間分布的影響，廣大學(xué)者也進(jìn)行了深入研究。杜修力的研究認(rèn)為混凝土中的骨料分布形式對其宏觀力學(xué)強(qiáng)度影響不大，但是會導(dǎo)致混凝土損傷初始位置的不同，并最終導(dǎo)致整體破壞形態(tài)上的差異，因此骨料分布也是研究中必須要考慮的重要因素[5]。

1.2 碾壓混凝土細(xì)觀單元等效原理

為了研究碾壓混凝土在細(xì)觀尺度下的變形破壞過程，國內(nèi)外諸多學(xué)者利用基于隨機(jī)骨料模型的細(xì)觀力學(xué)方法進(jìn)行研究，并獲得了諸多研究成果[6-7]。但是，上述模型需要憑借足夠的網(wǎng)格單元數(shù)量進(jìn)行求解計算，存在計算效率低的問題?；诖耍敬窝芯坷眉?xì)觀單元等效方法提高模型的運(yùn)算效率，以提高其應(yīng)用價值。該方法的基本思路是將碾壓混凝土視為由砂漿、骨料、孔隙以及黏結(jié)面構(gòu)成的多相人工復(fù)合材料，通過對試件本身的劃分，確定骨料、砂漿等在所劃分區(qū)域內(nèi)的體積和面積占比，進(jìn)而利用等效化方法進(jìn)行不同材料的等效研究，進(jìn)而使研究對象轉(zhuǎn)化為各相同質(zhì)的均勻介質(zhì)。

Voigt并聯(lián)模型是非均質(zhì)材料研究領(lǐng)域的重要模型，其簡化模型見圖1。該模型假定混凝土中的細(xì)觀案料與外部荷載的施加方向平行，因而保證相鄰細(xì)觀單元之間不會出現(xiàn)變形突變[8]。由于Voigt并聯(lián)模型能夠很好預(yù)測混凝土材料的有效彈性性能，因此，被廣泛應(yīng)用于混凝土材料的力學(xué)性質(zhì)研究。雖然在某些特殊情況下，該模型的研究結(jié)果不太精確，但是對于細(xì)觀尺度下的宏觀力學(xué)行為研究已經(jīng)足夠。本次研究中利用Voigt并聯(lián)模型進(jìn)行碾壓混凝土參數(shù)的等效分析。

圖1 并聯(lián)模型示意圖

2 大壩原型資料

本文以遼寧省猴山水庫工程的碾壓混凝土重力壩為例展開研究。猴山位于遼寧省綏中縣范家鄉(xiāng)趙家甸村境內(nèi)的狗河上，主要任務(wù)是城市供水，同時兼顧防洪和下游農(nóng)業(yè)灌溉條件的改善。水庫的永久性建筑物主要包括大壩、副壩、溢洪道和輸水設(shè)施。其中，水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高51.6m，采用斜層平推法施工。具體施工方式為：從左側(cè)5號壩段靠近山體基巖的一側(cè)，按照向右岸傾斜的方向開始卸料，每層的攤鋪厚度掌握在0.30m，從而形成坡度為1∶10的比較完整的傾斜作業(yè)面。由于大壩施工需要分層碾壓，其層面出現(xiàn)薄弱層的概率要遠(yuǎn)大于普通混凝土重力壩。因此，如何處理層間薄弱帶就成為廣大學(xué)者研究的重點(diǎn)。

3 碾壓混凝土重力壩細(xì)觀尺度模型

由于猴山水庫大壩的層間面厚度為30cm，在進(jìn)行大壩結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析時可以利用大量網(wǎng)格單元以獲得滿意的計算結(jié)果。但是，在實(shí)際計算過程中往往因為計算量太大而難以實(shí)現(xiàn)。因此，本次研究選取大壩與壩基的接觸面以及兩個不同高度的層間結(jié)合帶利用細(xì)觀等效方法建立等效模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

在模型建立過程中，首先基于碾壓混凝土的特點(diǎn)，將層間結(jié)合部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，并劃分為混凝土體以及層間漸變軟弱帶兩個主要部分。根據(jù)猴山水庫大壩的具體設(shè)計資料和相關(guān)研究文獻(xiàn)，模型的上游坡面垂直，下游坡面的坡度為0.75，上游壩基設(shè)定為壩高的1.5倍，下游設(shè)定為壩高的2倍，壩基的深度設(shè)定為壩高的2倍。碾壓混凝土的層間厚度設(shè)定為0.30m，模型的上游面施加水荷載，下游面無水。結(jié)合相關(guān)研究成果以及對象大壩的設(shè)計資料，確定計算參數(shù)(見表1)。

表1 大壩模型計算參數(shù)

建立猴山水庫碾壓混凝土重力壩層間薄弱帶等效模型，對上游水壓力荷載作用下層間薄弱帶的受力特征及其產(chǎn)生的影響，研究中選取建?；媾c壩高1/3和1/2高程部位層間薄弱帶進(jìn)行對比分析。

4 計算結(jié)果分析

4.1 主應(yīng)力分析

研究中選取大壩上游水位100.00m和150.00m兩種不同的水荷載工況對壩體的應(yīng)力進(jìn)行計算，獲得壩體第一主應(yīng)力云圖(見圖2和圖3)。由圖可知，當(dāng)大壩的碾壓層位于大壩壩高1/3部位時，上游水位100.00m條件下的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力值分別為0.84MPa和0.30MPa，上游水位150.00m條件下的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力值分別為1.96MPa和0.44MPa；當(dāng)大壩的碾壓層位于大壩壩高1/2部位時，上游水位100.00m條件下的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力值分別為0.338MPa和0.045MPa，上游水位150.00m條件下的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力值分別為1.96MPa和0.045MPa；根據(jù)規(guī)范要求，混凝土的抗拉強(qiáng)度在2.20MPa左右，因此，上述主應(yīng)力計算結(jié)果均沒有超過上述指標(biāo)，同時兩種工況下的大壩壩踵部位也未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；隨著大壩施工中混凝土碾壓層厚度的增加，壩體應(yīng)力有一定的增加，但是增加幅度并不明顯，并主要表現(xiàn)為壩趾部位壓力減小，壩踵部位拉應(yīng)力增大。

圖2 上游水位100.00m最大主應(yīng)力云圖

圖3 上游水位150.00m最大主應(yīng)力云圖

4.2 切向應(yīng)力分析

研究中選取大壩上游水位100.00m和150.00m兩種不同的水荷載工況對壩體的應(yīng)力進(jìn)行計算，獲得壩體第一主應(yīng)力云圖。從中可知，當(dāng)大壩碾壓層位于大壩壩高1/3部位時，上游水位100.00m條件下切應(yīng)力及其最小值分別為0.196MPa和-0.109MPa，上游水位150.00m條件下切應(yīng)力及其最小值分別為0.130MPa和-0.121MPa；當(dāng)大壩的碾壓層位于大壩壩高1/2部位時，上游水位100.00m條件下切應(yīng)力及其最小值分別為0.130MPa和-0.121MPa，上游水位150.00m條件下切應(yīng)力及其最小值分別為0.316MPa和-0.121MPa；大壩碾壓層厚度的增大有利于壩體Y向強(qiáng)度的增加。

對猴山水庫碾壓混凝土大壩而言，隨著碾壓層厚的增大，壩體內(nèi)部的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出比較規(guī)律的特征，并且相差不大?？紤]到大壩建成蓄水后水壓力的變化，壩踵部位有可能出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，碾壓混凝土的層間強(qiáng)度會對壩體的安全穩(wěn)定存在重要影響，大壩建設(shè)過程中應(yīng)采取有效技術(shù)措施，增加結(jié)合面的強(qiáng)度。例如，每完成一層施工作業(yè)，就對下層混凝土進(jìn)行必要的清理，并鋪設(shè)一層厚度為1cm強(qiáng)度比碾壓混凝土高一個等級的水泥砂漿，然后再進(jìn)行碾壓混凝土施工。

5 結(jié) 語

本文利用細(xì)觀力學(xué)等效方法，以遼寧猴山水庫碾壓混凝土重力壩為例，對大壩的層間結(jié)合面進(jìn)行等效分析，認(rèn)為層間結(jié)合面為大壩壩體的薄弱環(huán)節(jié)，通過對大壩蓄水后不同水位條件下的大壩應(yīng)力分布分析，認(rèn)為碾壓混凝土層厚度的增大有利于水平切應(yīng)力的增加，對保證大壩安全更為有利。顯然，利用等效化方法進(jìn)行碾壓混凝土壩的層面受力分析，可以真實(shí)反映壩體應(yīng)力情況，但本次研究僅限于靜水壓力，對動荷載條件下的層間影響以及壩踵部位出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象尚需進(jìn)一步深入研究。