灌漿率對(duì)碾壓混凝土拱壩初次蓄水時(shí)工作性態(tài)影響優(yōu)化分析

肖榮平， 葛卉犇， 孫 新， 田鶴暉

(1.江蘇淮陰水利建設(shè)有限公司， 江蘇 淮安 223000；2.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司， 江蘇 淮安 223000)

由于碾壓混凝土重力壩的體積較大、壩體上升速度快且永久性橫縫較少，使得施工過(guò)程中散熱不充分，同樣會(huì)在壩體內(nèi)產(chǎn)生不可控的溫度裂縫。為降低裂縫的危害，目前普遍采用的方法是在壩體中設(shè)置誘導(dǎo)縫。國(guó)外關(guān)于誘導(dǎo)縫的研究相對(duì)較少，主要為在工程中應(yīng)用的介紹[2]，而關(guān)于誘導(dǎo)縫理論分析的報(bào)道還未見(jiàn)到。國(guó)內(nèi)對(duì)于碾壓混凝土誘導(dǎo)縫的研究相對(duì)開展的較多，這其中包括對(duì)誘導(dǎo)縫模型試驗(yàn)方面的研究[3-4]，誘導(dǎo)縫斷裂模型理論方面的研究[5-6]，及誘導(dǎo)縫數(shù)值計(jì)算方面的研究[7-8]等。

本文以某碾壓混凝土拱壩為例，采用Fortran編制的有限元計(jì)算程序，對(duì)該碾壓混凝土拱壩在施工以及初次蓄水過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。研究了誘導(dǎo)縫及橫縫按未灌漿、50%灌漿率和100%灌漿率處理后初次蓄水對(duì)拱壩工作性態(tài)影響，進(jìn)行了對(duì)比分析，并擬定了最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，評(píng)價(jià)其防裂效果。最后給出了相關(guān)結(jié)論和建議，可為類似工程提供一定的參考價(jià)值。

1 計(jì)算基本原理與方法

1.1 非穩(wěn)定溫度場(chǎng)基本理論

由熱傳導(dǎo)理論，考慮三維非穩(wěn)定溫度場(chǎng)求解問(wèn)題在計(jì)算域R內(nèi)任何一點(diǎn)處須滿足熱傳導(dǎo)連續(xù)方程，可表示為

(1)

式中：T為混凝土溫度，℃；a為導(dǎo)溫系數(shù)，m2·d-1；θ為絕熱溫升，℃；τ為齡期，d；t為時(shí)間，d。

1.2 應(yīng)力場(chǎng)求解的基本理論

溫度和自生體積變形產(chǎn)生過(guò)程中，混凝土存在應(yīng)力松弛和應(yīng)變?cè)龃蟮痊F(xiàn)象，混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變?cè)隽繛椋?/p>

(2)

1.3 誘導(dǎo)縫灌漿原理

碾壓混凝土壩誘導(dǎo)縫通常在張開以后要進(jìn)行灌漿處理，以確保拱壩連成整體，保證整體受力。為了保證灌漿的實(shí)施和質(zhì)量，通常在灌漿前一段時(shí)間對(duì)混凝土進(jìn)行冷卻，以使獲得一定的縫的張開度，加上其它外荷載的作用，接觸面單元的相對(duì)節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生一定的相對(duì)位移。灌漿后，縫內(nèi)被漿液充滿，縫面間隙被填充，并獲得一定的粘結(jié)強(qiáng)度。

胡蘿卜高含維生素A,有極為豐富的胡蘿卜素。因此,有經(jīng)驗(yàn)的老人常把胡蘿卜切成片或絲同油炒，這樣，胡蘿卜素的保存率可達(dá)79%以上。切片油炸，胡蘿卜素保存率為81%，切片和肉一起燉，胡蘿卜素的保存率高達(dá)95%。胡蘿卜素在高溫下也很少破壞，容易被人體吸收，然后轉(zhuǎn)變成維生素A，所以能治療因缺乏維生素A而引起的夜盲癥和眼干燥癥。胡蘿卜素只有溶解在油脂中才能被人體吸收。胡蘿卜還有促進(jìn)大腦物質(zhì)交換、增強(qiáng)記憶力的作用。

2 計(jì)算模型和參數(shù)

2.1 工程概況

某水電站水庫(kù)正常蓄水位1 420 m，總庫(kù)容2.71億m3。拱壩壩頂高程1 425.5 m，最大壩高142.0 m，壩頂寬10.00 m，壩底厚36～40 m，厚高比0.260。根據(jù)本工程大壩結(jié)構(gòu)布置情況，壩上共設(shè)置2條橫縫+7條誘導(dǎo)縫。每條誘導(dǎo)縫以各層拱圈中心軸線距拱壩中心線的距離控制，均為徑向布置。

2.2 計(jì)算模型

按照設(shè)計(jì)資料建立拱壩—地基有限元模型，劃分網(wǎng)格時(shí)，共形成節(jié)點(diǎn)486 000個(gè)，單元448 000個(gè)，其中壩體單元273 000個(gè)，基礎(chǔ)單元169 200個(gè)，縫單元13 600個(gè)。

2.3 主要熱力學(xué)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)提供資料并參考《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制(第二版)》，結(jié)合類似工程，擬定基巖和混凝土的熱力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.4 氣溫資料

為了便于計(jì)算，根據(jù)壩址區(qū)氣溫資料，將多年月平均氣溫?cái)M合成一條余弦曲線：

(3)

式中：Ta為氣溫，℃；τ為時(shí)間，月份。

2.5 庫(kù)水溫資料

根據(jù)朱伯芳院士提出的庫(kù)水溫經(jīng)驗(yàn)公式，并結(jié)合該拱壩壩址區(qū)多年水溫資料，庫(kù)水溫?cái)M合參數(shù)見(jiàn)表2。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 未灌漿時(shí)次蓄水壩體應(yīng)力分析

選取水位首次蓄到1 420.00 m高程典型蓄水時(shí)刻，限于篇幅，本文僅繪制上游面應(yīng)力云圖，具體見(jiàn)圖1；其中，左側(cè)為拱向應(yīng)力云圖，右側(cè)為第一主應(yīng)力云圖。

在蓄水初期，上游面拱向存在少部分受拉區(qū)域，當(dāng)水位首次蓄到1 420.00 m高程以后，除建基面附近區(qū)域外，上游壩面拱向均受壓，壓應(yīng)力基本在0.3～5.5 MPa，應(yīng)力大小由周邊向中部逐漸增大，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在表孔下部1 390.00 m高程，約為8.7 MPa；隨后壩面拱向應(yīng)力隨外界溫度作近似周期變化。第一主應(yīng)力方面，在蓄水初期，壩面存在部分受拉區(qū)，第一主應(yīng)力基本在2.0 MPa以內(nèi)，隨著水位上升，受拉區(qū)逐步減小，當(dāng)水位首次蓄到1 420.00 m高程時(shí)，除周邊和表孔下部、底孔上部部分區(qū)域外，壩面均受壓。

3.2 100%灌漿時(shí)初次蓄水壩體應(yīng)力分析

如圖2所示，整體來(lái)看，灌漿后壩體上游面應(yīng)力分布及變化規(guī)律與未灌漿時(shí)基本一致，由于壩體整體性增加，上游面受力條件得到一定改善。當(dāng)水位首次蓄到1 420.00 m高程以后，除壩踵局部區(qū)域外，上游壩面拱向均受壓，壓應(yīng)力基本在0.2～5.0 MPa，較未灌漿有所減??；隨后壩面拱向應(yīng)力隨溫度作近似周期變化。主應(yīng)力的分布規(guī)律與未灌漿時(shí)一致。

表1 混凝土和地基熱力學(xué)參數(shù)

表2 庫(kù)水溫?cái)M合參數(shù)表

圖1 未灌漿時(shí)水位首次蓄到1 420.00 m時(shí)壩面應(yīng)力云圖(單位：0.01 MPa)

圖2 100%灌漿時(shí)水位首次蓄到1 420.00 m時(shí)壩面應(yīng)力云圖(單位：0.01 MPa)

3.3 50%灌漿時(shí)初次蓄水壩體應(yīng)力分析

如圖3所示，整體來(lái)看，考慮50%灌漿率時(shí)壩體上游面應(yīng)力分布及變化規(guī)律與100%灌漿率時(shí)基本相同，由于壩體整體性增加，上游面受力條件得到一定改善，壩踵及壩趾受力改善。

圖3 50%灌漿時(shí)水位首次蓄到1 420.00 m時(shí)壩面應(yīng)力云圖(單位：0.01 MPa)

3.4 未灌漿時(shí)初次蓄水橫縫及誘導(dǎo)縫開合狀態(tài)分析

壩體在2016年1月份底開始下閘蓄水后，考慮自重+溫度荷載+水荷載作用下，水位首次蓄至1 330.00 m、1 420.00 m高程和水庫(kù)蓄至設(shè)計(jì)水位第一個(gè)冬季(2017年1月)及第二夏季(2017年7月)等不同蓄水時(shí)刻各誘導(dǎo)縫及橫縫的開合狀態(tài)分布云圖見(jiàn)圖4～5，圖中藍(lán)色為張開，其他顏色為閉合。整體來(lái)看，壩體左右岸誘導(dǎo)縫及橫縫的開合狀態(tài)呈對(duì)稱分布； 并且隨著水位上升， 在水壓作用下拱向開始受壓，誘導(dǎo)縫及橫縫張開部分逐漸閉合。

例如，當(dāng)水位首次蓄水至1 420.00 m高程時(shí)，L2#和R2誘導(dǎo)縫1 350.00 m高程以下區(qū)域基本張開，其他區(qū)域均處于閉合狀態(tài)，張開比例約為20%左右；靠近左右壩肩的L3#和R3#誘導(dǎo)縫1 390.00 m高程以下區(qū)域基本處于張開狀態(tài)，其他區(qū)域處于閉合，張開比例約占45%左右。

圖4 水位首次蓄到1 330.00 m、1 420.00 mm時(shí)各縫面的開合狀態(tài)分布圖

圖5 未灌漿的水庫(kù)蓄至設(shè)計(jì)水位第一個(gè)冬季(2017年1月)、第二個(gè)夏季(2017年7月)時(shí)各縫面的開合狀態(tài)分布圖

隨后，各誘導(dǎo)縫及橫縫的開合狀態(tài)隨著溫度作近似周期變化，左右岸橫縫以外的4條誘導(dǎo)縫張開區(qū)域變化比較明顯，而靠近表孔附近以及位于拱冠梁剖面的3條誘導(dǎo)縫張開區(qū)域變化很小。

3.5 100%灌漿時(shí)初次蓄水橫縫及誘導(dǎo)縫開合狀態(tài)分析

圖6 100%灌漿時(shí)水位首次蓄到1 330.00m、1 420.00m時(shí)各縫面的開合狀態(tài)分布圖

不同蓄水時(shí)刻各誘導(dǎo)縫及橫縫的開合狀態(tài)分布云圖見(jiàn)圖6～7，圖中藍(lán)色為張開，其他顏色為閉合。整體來(lái)看，壩體左右岸誘導(dǎo)縫及橫縫的開合狀態(tài)呈對(duì)稱分布；在誘導(dǎo)縫及橫縫進(jìn)行封拱灌漿以后，隨后蓄水過(guò)程中，2條橫縫以及靠近左岸的L3#誘導(dǎo)縫基本閉合，剩余的6條誘導(dǎo)縫均有不同程度地張開。當(dāng)水位首次蓄到1 420.00 m高程時(shí)，L2#和R2#誘導(dǎo)縫1 390.00 m高程以下縫面中部區(qū)域張開，張開比例約為20%；靠近右壩肩的R3#誘導(dǎo)縫有少量區(qū)域張開。

受封拱灌漿影響壩體整體性加強(qiáng)，在以后水位周期變化下各誘導(dǎo)縫及橫縫的開合狀態(tài)基本隨溫度作近似周期變化，但張開區(qū)域變化不大。

3.6 50%灌漿時(shí)初次蓄水橫縫及誘導(dǎo)縫開合狀態(tài)分析

不同蓄水時(shí)刻各誘導(dǎo)縫及橫縫的開合狀態(tài)分布云圖見(jiàn)圖8～9，圖中藍(lán)色為張開，其他顏色為閉合。整體來(lái)看，壩體左右岸誘導(dǎo)縫及橫縫的開合狀態(tài)呈對(duì)稱分布；封拱灌漿以后，蓄水過(guò)程中各誘導(dǎo)縫及橫縫均有不同程度的張開，張開區(qū)域的分布規(guī)律與未灌漿時(shí)基本相同，受灌漿影響張開區(qū)域面積明顯小于未灌漿。

在以后水位周期變化下各誘導(dǎo)縫及橫縫的開合狀態(tài)基本隨溫度作近似周期變化，但張開區(qū)域變化不大。

3.7 不同灌漿率時(shí)拱壩工作性態(tài)對(duì)比分析

根據(jù)以上分析成果，現(xiàn)將不同灌漿條件下壩體工作性態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。不同灌漿條件下拱冠梁截面上游面各特征點(diǎn)順河向位移變化曲線見(jiàn)圖10。

圖7 100%灌漿時(shí)水庫(kù)蓄至設(shè)計(jì)水位第一個(gè)冬季(2017年1月)、第二個(gè)夏季(2017年7月)時(shí)各縫面的開合狀態(tài)分布圖

圖8 50%灌漿時(shí)水位首次蓄到1 330.00 m、1 420.00 m時(shí)各縫面的開合狀態(tài)分布圖

圖9 50%灌漿時(shí)水庫(kù)蓄至設(shè)計(jì)水位第一個(gè)冬季(2017年1月)、第二個(gè)夏季(2017年7月)時(shí)各縫面的開合狀態(tài)分布圖

圖10 不同灌漿條件下拱冠梁截面上游面各特征點(diǎn)順河向位移變化曲線

根據(jù)拱冠梁截面上游面各特征點(diǎn)順河向位移變化曲線可知，誘導(dǎo)縫及橫縫進(jìn)行灌漿后，壩體整體性增強(qiáng)，在水荷載作用下，壩體順河向變形較未灌漿時(shí)有所減小，壩體上部減小較多，下部減少較?。还肮诹航孛骓樅酉蜃冃巫畲鬁p少約為7.0mm，出現(xiàn)在頂部；50%灌漿率時(shí)壩體順河向變形與100%灌漿率時(shí)基本一致。這主要是考慮100%灌漿率即灌漿后誘導(dǎo)縫強(qiáng)度達(dá)到2.0MPa，蓄水后2條橫縫以及靠近左岸的L3#誘導(dǎo)縫基本閉合，剩余的6條誘導(dǎo)縫均有不同程度地張開進(jìn)而導(dǎo)致壩體變形明顯低于未灌漿工況。

4 結(jié)論與建議

(1)若對(duì)誘導(dǎo)縫及橫縫不作灌漿處理，相比蓄水前，隨著水位上升，在水壓作用下拱向開始受壓，誘導(dǎo)縫及橫縫張開部分開始逐漸閉合。大壩計(jì)算變形規(guī)律良好，壩體大部分均受壓，應(yīng)力隨溫度作近似周期變化。壩踵及壩趾豎向均處于受壓狀態(tài)，豎向有較大安全儲(chǔ)備。

(2)對(duì)誘導(dǎo)縫及橫縫按100%灌漿率進(jìn)行處理后，壩體整體性增強(qiáng)，誘導(dǎo)縫強(qiáng)度達(dá)到2.0 MPa；蓄水后，壩體向下游變形相比未灌漿時(shí)要小；蓄水后拱冠梁向下游的變形較未灌漿時(shí)小。上游面拱向及梁向受力分布規(guī)律與未灌漿時(shí)基本一致。

(3)對(duì)誘導(dǎo)縫及橫縫按50%灌漿率進(jìn)行處理后，誘導(dǎo)縫強(qiáng)度可達(dá)0.8 MPa；蓄水后受灌漿影響張開區(qū)域面積明顯小于未灌漿；壩體工作性態(tài)與100%灌漿率時(shí)基本相同，拱冠梁截面最大順河向位移略大于100%灌漿時(shí)。最終建議對(duì)誘導(dǎo)縫及橫縫按100%灌漿率進(jìn)行處理。