卡拉貝利水利樞紐工程壩體混凝土面板抗裂設(shè)計(jì)及面板受力分析

李勁飛

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

卡拉貝利水電站位于新疆喀什市165km，距離烏恰縣55km。水庫(kù)任務(wù)為發(fā)電、灌溉、防洪。大壩正常蓄水位為1770.00m，總庫(kù)容為2.62億m3，裝機(jī)為70.00MW，工程等別和規(guī)模為Ⅱ等大(2)型工程。主河床擋水建筑物是面板砂礫石壩，1#、2#泄洪排沙放空洞布置在大壩左岸。發(fā)電廠房、引水發(fā)電洞位于壩軸線下游的左岸河床階地上，溢洪道位于大壩右岸。面板砂礫石壩壩頂高程1775.5m、防浪墻頂部高程為1776.7m。壩長(zhǎng)760.7m，壩高為92.5m，壩頂寬12m。壩體上游壩坡為1∶1.7，下游壩坡1∶1.8，壩體由上游至下游分區(qū)是砂礫石蓋重區(qū)、土料鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層料區(qū)、上游壩殼料砂礫石區(qū)、排水料區(qū)、下游壩殼料砂礫石區(qū)、利用料區(qū)及壩腳排水棱體。砂礫石蓋重區(qū)位于上游鋪蓋區(qū)上游，頂高程1713m，頂寬10m，上游坡度1∶3，作用是穩(wěn)定上游鋪蓋區(qū)邊坡，可全部利用壩體及其它建筑物開(kāi)挖砂礫料。利用運(yùn)輸和推平設(shè)備自然壓實(shí)，土料鋪蓋區(qū)位于面板上游，頂高程1713m，頂寬5m，上游坡度1∶2。采用T1土料場(chǎng)粉土填筑，利用運(yùn)輸和推平設(shè)備自然壓實(shí)。目前該工程已經(jīng)基本完工。

2 大壩混凝土面板設(shè)計(jì)

2.1 混凝土面板結(jié)構(gòu)

對(duì)于混凝土面板壩來(lái)說(shuō)，保證面板在各個(gè)工況下不受破壞對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因此，限制混凝土面板的裂縫是設(shè)計(jì)者的重要工作。本工程位于新疆喀什市西北，最大的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是該區(qū)位于高地震烈度區(qū)域，大壩最大設(shè)計(jì)烈度為Ⅸ度，晝夜溫差大，風(fēng)沙猛烈，河水中硫酸根離子超標(biāo)等。本工程混凝土面板砂礫石壩最大壩高92.5m，上游壩坡1∶1.7?？紤]上述設(shè)計(jì)難點(diǎn)，本次面板混凝土標(biāo)號(hào)采用C30W10F300，中抗硫酸鹽水泥，摻螺旋形聚乙烯醇纖維。面板共74塊，寬度主要分12m與6m兩種，其中12m寬度面板49塊，6m寬度面板23塊，10.50m、14.83m各1塊?；炷撩姘搴穸炔捎?.0035H急性遞增，面板頂部厚度為0.4m、最長(zhǎng)塊面板底部厚度為0.71m。為了進(jìn)一步提高面板抗裂能力，對(duì)面板施工提出更高要求的指標(biāo)，面板平面圖如圖1所示。

圖1 面板平面布置圖

2.2 混凝土面板抗裂

大壩防滲體的混凝土面板與傳統(tǒng)混凝土特性一樣，受溫度變化、自身干縮及壩體不均勻沉降等不良因素產(chǎn)生裂縫。然而，混凝土面板的邊界條件對(duì)面板裂縫的影響更大。如面板坡面的平整度直接影響到面板的厚度均一度，導(dǎo)致面板在同等高度剛度不一致，這對(duì)面板來(lái)說(shuō)在蓄水期時(shí)也是致命的。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮各種不利因素對(duì)混凝土面板的影響，采取了多種面板防裂措施。

2.2.1面板建基面要求

墊層坡面固坡采用擠壓邊墻，在面板混凝土澆筑前對(duì)擠壓邊墻坡面檢查，要求擠壓邊墻法線方向偏差不大于5cm；上游坡面平整度2m范圍內(nèi)誤差不大于2.5cm，且平滑過(guò)渡，無(wú)突變，出現(xiàn)凹坑時(shí)可采用M20水泥砂漿補(bǔ)平[1- 3]。面板鋼筋安設(shè)過(guò)程采用架立鋼筋固定，在混凝土澆筑時(shí)隨著滑模提升及時(shí)割除，消除架立鋼筋約束。

2.2.2設(shè)置隔離層

為盡量減少和降低混凝土面板砂礫石壩擠壓邊墻和混凝土面板之間的約束作用，讓填筑體和混凝土面板能各自自由變形，利于承載后面板應(yīng)力的重新調(diào)整，在大壩上游擠壓邊墻坡面設(shè)置乳化瀝青隔離層。根據(jù)近年來(lái)面板壩建設(shè)的技術(shù)進(jìn)展和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)噴涂一層凈乳化瀝青、“兩油一砂”、“兩油兩砂”三種乳化瀝青隔離層結(jié)構(gòu)工藝的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)合大壩工期的安排，最終確定采用“兩油一砂”的結(jié)構(gòu)，施工后形成的乳化瀝青膠砂混合料隔離層平均厚度為2.5mm。

2.2.3優(yōu)選混凝土配合比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境條件為寒冷地區(qū)、晝夜溫差大、風(fēng)沙大的特點(diǎn)。面板混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)中采用按低坍落度混凝土，且具有良好的和易性，保證混凝土在溜槽中滿(mǎn)足不離析、易下滑、易振實(shí)、入倉(cāng)后不泌水、滑模易于操作等要求。優(yōu)選摻合料與外加劑，減少水泥用量降低水化熱溫避免混凝土干縮變形。通過(guò)摻螺旋形聚乙烯醇纖維，確保面板混凝土具有較高的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值，降低裂縫產(chǎn)生的可能性。

2.2.4壩體預(yù)留沉降期

壩體沉降是導(dǎo)致面板產(chǎn)生脫空變形和結(jié)構(gòu)性裂縫的主要原因，為避免面板脫空和結(jié)構(gòu)性裂縫的發(fā)生，規(guī)范規(guī)定的面板混凝土施工前壩體沉降期宜為3～6個(gè)月，卡拉貝利大壩2016年7月23日封頂，2017年3月1日開(kāi)始混凝土面板澆筑，大壩沉降期超過(guò)7個(gè)月，沉降期面板頂部處壩體沉降速率小于5mm/月[4- 6]。

2.2.5發(fā)現(xiàn)裂縫及時(shí)處理

混凝土面板施工后要及時(shí)檢查，發(fā)現(xiàn)裂縫應(yīng)及時(shí)進(jìn)行灌漿處理，橫貫裂縫寬度大于0.15m或 0.1mm≤δ<0.15mm、長(zhǎng)度≥1.0m的裂縫都必須進(jìn)行處理[7- 13]。裂縫寬度大于0.15mm時(shí)，采用聚氨酯材料灌漿，表面涂刷環(huán)氧底膠。裂縫寬度大于0.1mm且≤0.15mm、長(zhǎng)度≥1.0m時(shí)，采用涂刷環(huán)氧底膠進(jìn)行涂層封閉處理。

2.2.6設(shè)置防凍層

提高水工混凝土耐久性，特別是重點(diǎn)工程重點(diǎn)部位的混凝土耐久性，除根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)對(duì)混凝土本身質(zhì)量、施工工藝進(jìn)行提高外，采用有效的表面防護(hù)技術(shù)也是必不可少的手段。根據(jù)國(guó)內(nèi)外使用情況用于混凝土表面防護(hù)技術(shù)的材料大體上可分為剛性與柔性表面防護(hù)材料兩大類(lèi)：剛性材料適用于年溫差、日溫差較小，本身結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境影響變形較小的混凝土結(jié)構(gòu)；柔性表面防護(hù)材料則是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)，其更適用于變形較大的混凝土結(jié)構(gòu)，特別是憎水性的高分子彈性表面防護(hù)材料，對(duì)提高混凝土的抗凍融，抗冰拔作用，適應(yīng)“活動(dòng)”裂縫的變形，提高混凝土的整體防滲性等效果明顯。工程區(qū)為寒冷地區(qū)、晝夜溫差大、風(fēng)沙大，為加強(qiáng)面板運(yùn)行期防裂性能，面板表面在水位變動(dòng)區(qū)1740m以上涂刷彈性聚氨酯防凍層，厚1.2mm[14- 16]，要求在面板混凝土裂縫處理完成后實(shí)施。

3 大壩三維有限元靜、動(dòng)力計(jì)算成果分析

壩體填筑蓄水過(guò)程模擬，面板分兩期澆筑，一期面板澆筑至1738m高程，二期面板澆筑至壩頂1773m高程，一期面板澆筑完成后開(kāi)始蓄水。有限元計(jì)算時(shí)壩體填筑共為34級(jí)，蓄水為10級(jí)。具體工期見(jiàn)表1。

表1 大壩填筑工期順序

大壩三維有限元網(wǎng)格如圖2所示，面板精細(xì)化模型如圖3所示?？ɡ惱庸葘挾容^大，大壩混凝土面板使用六面體單元。面板與壩體剛度差異較大在其交界面處設(shè)置Goodman接觸單元，面板周邊縫于垂直縫也采用接縫單元。

圖3 面板網(wǎng)格圖

圖2 大壩三維網(wǎng)格圖

本工程壩體計(jì)算均外委，三維非線性有限元靜力分析采用鄧肯E- B模型對(duì)壩體、壩基進(jìn)行三維有限元靜力計(jì)算分析，研究在竣工期、蓄水期時(shí)面板應(yīng)力和變形、伸縮縫和垂直縫變位、壩體的應(yīng)力和變形等工作性狀和安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。三維有限元?jiǎng)恿Ψ治霾捎玫刃Ь€性粘彈性模型，大壩設(shè)計(jì)地震按50年超越概率2%，相應(yīng)基巖地震水平向動(dòng)峰值加速度為375.1gal；校核地震按照100年超越概率2%的基巖動(dòng)峰值，相應(yīng)水平向動(dòng)峰值加速度為424.4gal。壩體地震永久變形計(jì)算模型采用改進(jìn)的沈珠江殘余變形模型。具體的公式與參數(shù)不再列出，只列出大壩混凝土面板各個(gè)工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 大壩混凝土面板各個(gè)工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總

4 面板應(yīng)力成果分析

4.1 靜力計(jì)算成果分析

計(jì)算成果表明竣工期面板軸向均受壓，最大壓應(yīng)力均為1.4MPa，位于河床附近的底部面板。面板順坡向基本上也受壓，最大壓應(yīng)力3.0MPa，沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力；滿(mǎn)蓄期時(shí)混凝土面板在自重與庫(kù)水壓共同作用下，最大壓應(yīng)力1.56MPa，面板軸向最大壓應(yīng)力位于河床中部1/3壩高附近，岸坡處面板底部出現(xiàn)小范圍拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力0.27MPa。

4.2 動(dòng)力計(jì)算成果分析

采用等效線性模型計(jì)算的面板順坡向靜動(dòng)疊加最大應(yīng)力分別為10.92MPa(壓)和7.70MPa(拉)。由于壩頂部變形較大，河床部位2/3壩高以上的面板產(chǎn)生較大的動(dòng)壓和動(dòng)拉應(yīng)力，和靜力計(jì)算的應(yīng)力疊加后，壩高1/2～2/3的局部范圍出現(xiàn)了最大值拉應(yīng)力和壓應(yīng)力；另外，面板底部震前處于受拉狀態(tài)，靜動(dòng)疊加后拉應(yīng)力較大，靠近河床部位的面板底部局部也達(dá)到了最大值。面板壩軸向靜動(dòng)疊加最大應(yīng)力分別為7.93MPa(壓)和2.91MPa(拉)，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力最大值均發(fā)生在壩頂附近。

4.3 大壩永久變形

地震后，由于砂礫石體的沉陷，對(duì)面板產(chǎn)生豎向摩阻力，面板順坡向壓應(yīng)力增加較為明顯，其中殘余變形模型計(jì)算的順坡向壓應(yīng)力最大值為15.4MPa，位于河床部位靠近右岸位置的1/3壩高處附近；軸向壓應(yīng)力最大值局部達(dá)到5.25MPa，位于河床中間壩頂部位，拉應(yīng)力最大值為1.19MPa，位于兩岸局部范圍內(nèi)；同時(shí)拉應(yīng)力比滿(mǎn)蓄期有所減小，僅在頂部壩肩處產(chǎn)生小范圍拉應(yīng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

卡拉貝利水利樞紐混凝土面板砂礫石壩處于干燥、嚴(yán)寒、多風(fēng)的高地震烈度區(qū)，這對(duì)混凝土面板抗裂措施提出了很大挑戰(zhàn)，本文在面板設(shè)計(jì)和施工中采用了較全面的抗裂措施，提出了面板基礎(chǔ)面設(shè)置隔離層、優(yōu)選混凝土配合比、預(yù)留足夠的沉降期、面板裂縫處理措施等設(shè)計(jì)指標(biāo)?；炷撩姘逶陂L(zhǎng)期荷載作用時(shí)，竣工期、滿(mǎn)蓄期面板的應(yīng)力均能滿(mǎn)足混凝土設(shè)計(jì)抗拉允許值。短期荷載作用時(shí)，動(dòng)力計(jì)算成果表明混凝土面板局部拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)混凝土面板的設(shè)計(jì)抗拉允許值，針對(duì)此類(lèi)極其罕見(jiàn)的工況，面板局部出現(xiàn)裂縫可以通過(guò)后期進(jìn)行灌漿修補(bǔ)保證大壩安全運(yùn)行。