碾壓混凝土壩碾壓層厚對層間面特性影響研究

燕 喬 宋志誠 張利雷 張勝利 駱祚森

（三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002）

碾壓混凝土重力壩是采用超干硬性、無塌落度混凝土、大面積薄層連續澆筑，然后在層面上振動壓實的施工方法，具有大倉面快速施工、減少水泥用量，簡化溫控措施等優點，在水利工程中得到了廣泛的應用［1］.但由于碾壓混凝土施工工藝、層間間歇時間及層間處理方式等因素，可能使碾壓混凝土壩層間面成為整體的軟弱結構面［2］.而層面影響帶將成為影響碾壓混凝土壩強度、穩定和滲流的關鍵部位［3－4］.根據以往工程實例和實驗可知，碾壓混凝土本體強度不低于常態混凝土，而層間面強度往往低于本體強度，所以層間缺陷直接影響到壩體的整體性和安全性，故有必要針對碾壓混凝土層間面軟弱面特性進行研究.

本文針對碾壓混凝土層間面軟弱面問題，運用abaqus有限元軟件，結合烏弄龍碾壓混凝土壩，對不同碾壓層厚度的壩體進行對比分析，總結出碾壓層厚度對大壩應力、位移分布的影響規律，為以后大壩層厚的選取、層面處理方式的設計與施工提供參考依據.

1 碾壓混凝土壩計算模型的建立及相關參數的選取

1.1 有限元模型的建立

烏弄龍碾壓混凝土壩壩頂高程1 909.5m，最大壩高為137.5m，壩體上游面鉛直，下游面坡度為0.72，最大擋水壩段為10號壩段，其建基面高程為1 785m，其最大壩高為124.5m.本文利用有限元建模分析時，取10號壩段，沿壩體上下游方向取2倍壩高，壩基深度方向取兩倍壩高，碾壓層厚度分別取30 cm、50cm、70cm，層間面厚度取2cm，壩體模型的混凝土、基巖、墊層、碾壓層面等均采用平面應變縮減積分單元（CPE4）進行網格劃分，并且層面與本體碾壓混凝土之間具體接觸情況很難真實的模擬，故采用剛性連接，有限元網格如圖1所示.

1.2 荷載工況

為了方便計算，本文只考慮水壓荷載，只對正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位分別進行分析，工況具體情況見表1.

圖1 有限元網格

表1 荷載工況

1.3 計算參數的選取

根據烏弄龍碾壓混凝土壩相關設計資料，層面材料參數按C9015碾壓混凝土力學參數考慮，同時本文為計算簡便對基巖進行均質簡化并認為為彈塑性材料，壩體混凝土為彈性材料，烏弄龍各區混凝土和基巖物理力學參數具體情況見表2.

表2 各區混凝土力學參數

2 計算結果分析

本節通過對3種有限元模型靜力分析，最終得出在不同工況下應力、位移大小及分布規率.從中可以得出：在不同計算工況下，壩體應力、位移具有相同的變化趨勢，所以本節分析時選擇具有代表性的工況（設計洪水位）進行分析，即對設計洪水位時碾壓層厚度對壩體應力、位移云圖進行對比分析，探討在相同工況下大壩應力、位移分布規律以及碾壓層厚度對壩體應力、位移分布的影響.

2.1 設計洪水時壩體應力分布分析

根據對設計洪水時壩體各主應力、各分應力分布的分析，主應力、各項分應力分布大體一致，都呈現出隨著碾壓層厚度的增加稍有小幅度的提高，但相差不大，故下面僅給出第一主應力云圖，并對其進行對比分析，具體分布如圖2所示.

圖2 設計洪水位時第一主應力云圖（單位：Pa）

從上述不同碾壓層厚壩體第一主應力云圖分析可得：1）當碾壓層厚度為30cm時，最大拉應力為1.981MPa，最大壓應力為0.605MPa；當碾壓層厚度為50cm時，最大拉應力為1.981MPa，最大壓應力為0.604MPa；當碾壓層厚度為70cm時，最大拉應力為1.984MPa，最大壓應力為0.522MPa；2）3種模型的第一主應力分布情況大體一致，且都未超出混凝土抗拉強度指標（2.2MPa左右）；3）在此工況下碾壓混凝土大壩壩踵附近出現小區域的應力集中現象，最大拉應力達到1.7MPa，具有被拉裂的可能；4）隨著碾壓層厚度的增加壩體應力逐漸上升的趨勢，但上升的趨勢較小；5）隨著碾壓層厚度的增加，受壓區的面積在逐漸增大，對防止壩體開裂具有一定的抑制作用，說明增加碾壓層厚度對壩體分布較為有利，大壩此情況下運行較為安全；6）隨著碾壓層厚的增加在壩踵附近出現拉應力并呈現出增大的趨勢，在壩址附近出現壓力有減小的趨勢.

2.2 設計洪水時壩體層間切向應力分布分析

根據對不同工況時壩體切向切向應力對比分析可知，壩體層面切向應力分布呈現出相同的變化趨勢，隨著碾壓層厚的增加切向應力有增大趨勢，下面僅對設計洪水時壩體層面切向應力進行分析，具體情況分布如圖3所示.

圖3 設計洪水位時x方向切應力云圖（單位：Pa）

從上述3種不同碾壓層厚的碾壓混凝土壩模型切向應力云圖可知：1）當碾壓層厚度為30cm時，切應力最大值為1.083MPa，最小值為－2.438MPa；當碾壓層厚度為50cm時，切應力最大值為1.089MPa，最小值為－2.439MPa；當碾壓層厚度為70cm時，切應力最大值為1.117MPa，最小值－2.539MPa.2）3種不同碾壓層厚的碾壓混凝土壩切應力總體分布呈規律性分布，且大體一致.3）隨著碾壓層厚度的增加，壩體沿高度方向整體強度增大，變形減小，故切應力有增大的趨勢.

2.3 設計洪水時壩體位移分布分析

根據對不同工況時壩體總體位移、各分位移分析對比分析可知，壩體總體位移、各位移都呈現出相同的變化趨勢，即都隨著碾壓層厚的增加壩體位移呈現出減小的趨勢，下面僅對設計洪水位時的總體位移進行對比分析，具體分布情況如圖4所示.

圖4 設計洪水位時壩體總位移云圖（單位：m）

從上述3種不同碾壓層厚的碾壓混凝土壩模型總位移云圖可知：1）當碾壓層厚度為30cm時，總位移最大值為4.89cm，最小值為3.42cm；當碾壓層厚度為50cm時，總位移最大值為4.89cm，最小值為3.42cm；當碾壓層厚度為70cm時，總位移最大值為4.78cm，最小值3.38cm.2）3種不同碾壓層厚的碾壓混凝土壩位移總體分布呈規律性分布，且大體一致.3）3種不同碾壓層厚在荷載作用下，壩體最小位移都出現在壩基附近，最大位移都出現在壩頂附近，且大小相差不大；隨著碾壓層厚的增加，壩基面的位移有減小的趨勢，壩頂位移同樣有減小的趨勢.4）隨著碾壓層厚度的增加，位移有減小的趨勢，故增加碾壓層厚度，對控制壩體變形較為有利.

綜上所述，隨著碾壓層厚度的增加，壩體各區應力、位移都呈現出規律性分布，且數值相差不大，同時隨著水位的增高，碾壓混凝土壩壩踵附近拉應力有向層間面集中的趨勢，故層間面強度對壩體穩定有至關重要，同時應對壩踵附近層間面進行補強措施，以便更好的保障大壩安全.

3 結 論

碾壓混凝土由于施工工藝等特點，致使壩體存在層間軟弱面，而這些軟弱面對壩體應力和位移總體分布會產生一定影響.通過本文研究成果可知，隨著碾壓層厚度的增加，應力略微增加的趨勢，但壓力區的范圍明顯增加，而位移略有減小的趨勢，所以增加碾壓層厚，可使大壩安全得到更好的保障.同時如根據工程實際可增加碾壓層厚度，加快工程進度使工程盡早產生效益等，所以在碾壓混凝土設計和施工時，應根據實際情況，選取合理的較大的碾壓層厚度.

［1］ 張光斗.碾壓混凝土筑壩新技術［J］.水力發電，1993（1）：86－98.

［2］ 姜福田.碾壓混凝土壩的層面與影響［J］.水利水電技術，2008，39（2）：19－21.

［3］ 彭友文，顧沖時，吳中如.碾壓混凝土壩層面影響帶厚度分析［J］.長江科學院院報，2005，22（4）：59－61.

［4］ 朱俊松，訾進甲，劉 峽，等.等殼碾壓混凝土重力壩層間抗滑穩定可靠度分析［J］.中國農村水利水電，2011（1）：115－118.