夾巖水庫(kù)堆石壩一期面板施工期裂縫有限元建模分析

鐘 勛，譚劍波

（1.貴州省水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴陽(yáng)550001；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

混凝土面板作為堆石壩重要的防滲結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量、整體性和耐久性會(huì)直接影響到水庫(kù)大壩能否穩(wěn)定運(yùn)行及功能能否正常發(fā)揮［1-2］。裂縫不僅會(huì)破壞混凝土面板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和整體性，且水經(jīng)裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，在反復(fù)凍融破壞、水流沖刷和碳化等綜合作用，會(huì)導(dǎo)致混凝土劣化，使其結(jié)構(gòu)性能逐漸衰退喪失，最終威脅到整個(gè)大壩的運(yùn)行安全［3-4］。

夾巖水利樞紐工程是國(guó)務(wù)院2014～2020年分布建設(shè)的172項(xiàng)重大水利工程之一，同時(shí)也是貴州“十二五”期間開工建設(shè)的“一號(hào)工程”，總投資186.49億元［5］。夾巖水庫(kù)堆石壩一期面板混凝土于2019年3月7日開始澆筑，2019年4月26日澆筑結(jié)束。截止2019年8月29日，共發(fā)現(xiàn)裂縫49條，多為水平向分布。針對(duì)面板裂縫狀況，利用沈珠江院士提出的“南水”雙屈服面的彈塑性模型，以精細(xì)化仿真為手段，系統(tǒng)分析面板裂縫的主要影響因素，合理掌握裂縫發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，以便為施工期面板防裂提出合理措施建議。

1 工程資料及裂縫情況

1.1 工程概況

夾巖水利樞紐工程位于畢節(jié)市與遵義市境內(nèi)，工程涉及畢節(jié)、遵義2個(gè)地級(jí)市10個(gè)區(qū)（縣）。夾巖水庫(kù)正常蓄水位1323.0m，死水位1305.0m，水庫(kù)總庫(kù)容13.23億m3，興利調(diào)節(jié)庫(kù)容4.34億m3。設(shè)計(jì)灌溉面積6萬(wàn)hm2，多年平均年配水量6.88億m3。大壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程1328m，壩頂長(zhǎng)428.93m，壩頂寬10.0m，河床部位趾板最低建基面高程1174.0m，最大壩高154.0m。工程總體等別為Ⅰ等，屬大（1）型工程。

1.2 一期面板裂縫基本特點(diǎn)

截止2019年8月29日共發(fā)現(xiàn)裂縫49條，裂縫總長(zhǎng)度503.01m，裂縫分布情況如圖1。

圖1 大壩一期面板混凝土裂縫分布

一期面板具有以下特點(diǎn)：①裂縫多產(chǎn)生在II序塊上。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，10塊II序面板有7塊出現(xiàn)裂縫，共計(jì)47條；10塊I序面板中，僅1塊出現(xiàn)裂縫計(jì)2條。I序面板出現(xiàn)裂縫的比例為10%，II序面板出現(xiàn)裂縫的比例為70%。②裂縫多為淺表層裂縫。最大裂縫寬度為0.14mm，最大裂縫深度為10cm，均為淺表層裂縫，均屬Ⅰ類裂縫（淺層裂縫）。③裂縫多呈水平向貫通展布。一期面板產(chǎn)生的49條裂縫全部為水平分布，其中46條裂縫長(zhǎng)度貫通于面板寬度方向，貫通率達(dá)到94%。④裂縫多出現(xiàn)在面板長(zhǎng)度中部。高程集中在1205.0～1225.0m之間。⑤裂縫所在面板澆筑時(shí)間多集中在高溫天氣。一期20塊面板中，產(chǎn)生裂縫的6塊II序面板澆筑時(shí)間集中在4月8～26日，該時(shí)間段多為晴好天氣，日最高氣溫多在25℃以上，產(chǎn)生裂縫面板在澆筑時(shí)間上呈明顯集中現(xiàn)象。

2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

夾巖水庫(kù)大壩進(jìn)行壩體應(yīng)力變形分析時(shí)，堆石料結(jié)構(gòu)采用沈珠江院士提出的“南水”雙屈服面的彈塑性模型，相比單屈服面模型，其可以模擬堆石體的剪脹和剪縮特性，能很好地模擬反映不同應(yīng)力路徑下的壩體應(yīng)力應(yīng)變性狀［6］。由于堆石壩混凝土面板結(jié)構(gòu)與壩體填筑材料間的剛度存在較大差異，荷載作用下結(jié)構(gòu)體間接觸面因應(yīng)力變形不一致出現(xiàn)相對(duì)位移，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。為真實(shí)反映混凝土面板與壩體填筑材料間的相互應(yīng)力變形位移作用，采用有限元進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)充分考慮兩者間的接觸特性。根據(jù)相關(guān)研究成果及類似工程應(yīng)用實(shí)踐，此處采用Goodman無(wú)厚度單元進(jìn)行模擬仿真計(jì)算?；炷撩姘逯苓吙p接縫材料按連接單元進(jìn)行模擬，而垂直縫則按分離縫模型模擬，其中分離縫可張開和錯(cuò)動(dòng)，但不能壓縮。大壩面板及填筑分期示意如圖2。

圖2 大壩面板及填筑分期示意

墊層料2A、過(guò)渡料3A、主堆石料3B和次堆石料3C1和3C2的靜力計(jì)算參數(shù)通過(guò)三軸試驗(yàn)確定；主堆石料3B、次堆石料3C1及3C2的流變參數(shù)通過(guò)三軸試驗(yàn)確定，其他堆石料參數(shù)則通過(guò)工程類比確定。為安全起見，次堆石3C1采用孔隙率為21%、試驗(yàn)密度2.22g/cm3的建筑開挖料（該料與相同級(jí)配、同等孔隙率條件下的灰?guī)r料相比，力學(xué)性能略差）。壩體填筑材料參數(shù)和流變參數(shù)計(jì)算成果如表1，表2。

表1 “南水”模型及材料特性參數(shù)計(jì)算成果

表2 流變參數(shù)計(jì)算成果

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 面板約束條件對(duì)面板裂縫影響

面板主要受4個(gè)面的約束，其中底面受壩體堆石體的約束，下部受大壩趾板約束，左右兩側(cè)受相鄰Ⅱ序面板約束。面板底面由于設(shè)計(jì)考慮了在擠壓邊墻表面噴涂5mm厚的乳化瀝青，可有效減小堆石體對(duì)面板的約束。面板下部通過(guò)邊縫與大壩趾板銜接，周邊縫寬12mm，縫內(nèi)填塞12mm厚瀝青硬木板，可有效減小堆石體對(duì)面板的約束。面板左右兩側(cè)通過(guò)垂直縫與相鄰Ⅱ序面板銜接，垂直縫寬12mm，縫內(nèi)填塞12mm厚聚乙烯閉孔塑料板，相鄰Ⅱ序面板的約束非常有限。分析結(jié)果表明，面板約束條件非常有限，其對(duì)面板約束而導(dǎo)致裂縫的可能性較低。

3.2 壩體沉降對(duì)裂縫影響

經(jīng)壩體變形三維有限元分析，壩體及面板變形、應(yīng)力分布情況，如圖3～圖8。

圖3 澆筑期河床斷面沉降分布

圖4 竣工期河床斷面沉降分布

圖5 面板澆筑完面板撓度分布

圖6 竣工期面板撓度分布

圖7 面板澆筑完面板順坡向應(yīng)力分布

圖8 竣工期面板順坡向應(yīng)力分布

經(jīng)壩體變形三維有限元分析計(jì)算，一期面板澆筑時(shí)壩體最大沉降量41.1cm，發(fā)生在河床壩段高程1238.0m；竣工期壩體有限元計(jì)算最大沉降量52.5cm，發(fā)生在河床壩段高程1260.0m。而上述時(shí)段壩內(nèi)安全監(jiān)測(cè)的最大沉降量分別為17，38cm，監(jiān)測(cè)成果較理論計(jì)算成果略小，但分布規(guī)律基本一致，說(shuō)明安全監(jiān)測(cè)成果基本可靠。

根據(jù)安全監(jiān)測(cè)布置，距離面板最近的大壩沉降測(cè)點(diǎn)主要有MB26下方高程1218.0m的SG1、高程1235.0m的SG11、高程1260.0m的SG19。由監(jiān)測(cè)成果可知，SG1，SG11，SG19截止2019年8月15日的沉降量分別為47.28，42.77，110.01mm；在一期面板澆筑前的2019年2月26日的沉降量分別為47.03，34.03，50.0mm； 一 期 面 板 澆 筑 后 高 程1218.0，1235.0，1260.0m 沉 降 變 形 分 別 增 加 為0.25，8.74，60.01mm。 除高程1260.0m變形增加較多外，其余變形量變化較小。通過(guò)內(nèi)插得面板頂部高程1254.0m最大沉降量為47.5mm，約為面板長(zhǎng)度的1/2800，壩體沉降對(duì)面板裂縫影響較小。根據(jù)面板頂部高程1254.00m布置的5個(gè)臨時(shí)綜合位移測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)知，2019年5月23日～8月15日一期面板頂部累計(jì)沉降-5.62～15.61mm，面板累計(jì)沉降量較小，因大壩沉降引起的面板裂縫可能性較小。從面板撓度監(jiān)測(cè)、脫空監(jiān)測(cè)、鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)、混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)均較為正常，未出現(xiàn)較大應(yīng)力應(yīng)變，說(shuō)明壩體沉降對(duì)面板受力條件未產(chǎn)生明顯影響，可輔助證明大壩沉降引起的面板裂縫可能性較小。

目前面板裂縫多分布II序塊上，如果裂縫是因大壩沉降引起，在I序塊上也應(yīng)出現(xiàn)裂縫，綜合分析說(shuō)明大壩沉降不是面板裂縫產(chǎn)生的主要因素。

3.3 入倉(cāng)溫度對(duì)面板裂縫影響

面板澆筑次序按 “先奇數(shù)后偶數(shù)、先兩岸后中間”原則進(jìn)行。面板澆筑順序、混凝土澆筑溫度與裂縫條數(shù)間的關(guān)系，如圖9和圖10。

圖9 面板澆筑順序

圖10 混凝土入倉(cāng)溫度～混凝土裂縫條數(shù)關(guān)系曲線

由圖9和圖10可知，面板裂縫出現(xiàn)隨澆筑溫度的升高呈明顯的增加趨勢(shì)，混凝土澆筑溫度高于20℃的面板發(fā)生裂縫條數(shù)共計(jì)47條，占總裂縫條數(shù)的96%。產(chǎn)生裂縫最多的面板為MB26及MB24，分別為14條和10條。混凝土入倉(cāng)溫度達(dá)到27.7～26.9℃，說(shuō)明面板裂縫產(chǎn)生與混凝土入倉(cāng)溫度有密切關(guān)系，可能是面板產(chǎn)生裂縫的主要因素。

3.4 環(huán)境氣溫對(duì)面板裂縫影響

一期面板澆筑時(shí)間為3月7日～4月26日，出現(xiàn)裂縫的面板多為4月份澆筑的面板。查天氣后可知， 畢節(jié)市2019年3～6月份平均最高氣溫為13.3，23.1，20.9，25.3 ℃，4月份平均氣溫比3月份高9.8℃。面板混凝土澆筑氣溫～混凝土裂縫條數(shù)關(guān)系，如圖11。

圖11 澆筑環(huán)境氣溫～混凝土裂縫條數(shù)關(guān)系曲線

由圖11可知，面板裂縫出現(xiàn)隨氣溫的升高呈明顯的增加趨勢(shì)，澆筑氣溫高于25℃的面板發(fā)生裂縫條數(shù)共計(jì)45條，占總裂縫條數(shù)的92%。產(chǎn)生裂縫最多的面板為MB26及MB24，產(chǎn)生裂縫分別為14條和10條。混凝土澆筑時(shí)環(huán)境氣溫最高達(dá)到27～29℃，說(shuō)明面板裂縫產(chǎn)生與澆筑環(huán)境氣溫有密切關(guān)系，可能是面板產(chǎn)生裂縫的主要因素。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合夾巖水庫(kù)堆石壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際施工條件，采用三維有限元模擬壩體逐級(jí)施工填筑過(guò)程，對(duì)一期面板混凝土在面板約束、壩體沉降、混凝土入倉(cāng)溫度及澆筑環(huán)境氣溫條件下的應(yīng)力變形進(jìn)行了分析。裂縫致因研究成果表明：面板約束和壩體沉降均處于合理范圍內(nèi)，其造成面板裂縫的可能性較??；面板裂縫出現(xiàn)隨澆筑溫度和澆筑環(huán)境氣溫的升高呈明顯增加趨勢(shì)，水化溫升與環(huán)境溫差是面板產(chǎn)生裂縫的主要因素。