某碾壓混凝土拱壩誘導縫設計研究

【摘要】本文結合實際工程，以碾壓混凝土拱壩誘導縫布置形式研究為主導，首先對無誘導縫拱壩運行期進行了三維非線性有限元應力仿真分析及裂縫計算。根據計算結果和誘導縫的設置原則，建立了誘導縫不同布置位置和不同削弱度的拱壩模型，分別進行了三維有限元靜力計算。對比分析了幾種常見的誘導縫布置形式下壩體結構應力分布規律，提出了合理的誘導縫布置形式，為工程設計提供參考依據。

【關鍵詞】碾壓混凝土拱壩；三維有限元法；仿真分析；誘導縫

1、工程概況

某水利樞紐大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩。壩頂高程646.00m，壩底建基面高程為501.00m，最大壩高145m。壩頂寬度10m，壩底最大寬度42m。壩基和兩岸坡設1.5m厚C25常態混凝土墊層，壩體上、下游面設1m厚二級配的C25變態碾壓混凝土，壩體為三級配的C25碾壓混凝土。

2、計算資料

2.1 計算模型

拱壩整體模型計算坐標系：水流方向為X軸方向，向下游為正；高度方向為Y軸方向，向上為正；垂直水流方向為Z軸方向，向右岸為正。坐標系原點在拱冠梁剖面上游頂部，高程646.00m，整體模型包括壩體和地基，模型底部為固端約束，順水流方向和橫河向都為法向連桿約束。網格剖分基本采用8節點六面體單元，單元總數28216個，節點總數33245個。

2.2 計算荷載及工況

工況1：自重+正常蓄水位（642.00m）+相應下游水位+泥沙壓力+溫降，簡稱溫降工況；

工況2：自重+正常蓄水位（642.00m）+相應下游水位+泥沙壓力+溫升，簡稱溫升工況。

2.3 計算參數

（1）壩體C25混凝土物理力學參數

容重：γc=24kN/m3，彈性模量：20GPa，泊松比：μc=0.167，線脹系數：α=0.9～1.0×10-5/℃，導溫系數：3.0m2/月。

（3）壩址地質參數

變形模量：15GPa；泊松比：0.22；線脹系數：α=1.0×10-5/℃；容重：γc=27KN/m3。

（4）溫度荷載：壩址多年平均溫度為12.8℃，其中1月多年平均溫度為1.2℃，7月多年平均溫度為24.2℃。按《混凝土拱壩設計規范（DL/T5346-2006）》規定計算拱壩運行期溫度荷載。

（5）泥沙參數：淤沙高程：550.00m；淤沙浮容重：8kN/m3；淤沙內摩擦角：14°。

3、無誘導縫拱壩應力及開裂分析

3.1 無誘導縫拱壩的計算成果及應力分析

3.1.1 工況1計算成果及應力分析

壩體上游面拉應力區出現在壩體與基巖連接部位，最大值出現在壩體頂部兩壩肩，為2.65MPa；底部最大值為1.83MPa。最大壓應力出現在拱冠梁上部，為-2.80MPa。壩體下游面在壩體頂部兩壩肩出現受拉區，最大拉應力為1.35MPa；下游面最大壓應力出現在壩趾附近，為-6.50MPa。

3.1.2 工況2計算成果及應力分析

壩體上游面拉應力區出現在壩體與基巖連接部位，最大值出現在壩體底部兩壩肩，其值為1.40MPa；壩體上游面最大壓應力出現在拱冠梁頂部，最大值為-3.78MPa。壩體下游面基本為壓應力，最大值出現在壩趾附近，其值為-6.80MPa。

3.2 無誘導縫碾壓混凝土拱壩控制工況下開裂分析

在溫降荷載工況下拱壩各部位所受應力水平不同程度大于溫升荷載工況，為了計算壩體裂縫的開裂位置及裂縫的發展方向，本文計算了溫降荷載工況下，拱壩超載階段壩體裂縫分布情況，超載計算是通過按比例增加水的容重來提高壩體所受水壓力，超載系數K=計算容重/水的容重。

超載系數K=1.0時壩體的裂縫分布，裂縫首先出現在拱壩上游面的頂部兩端及底部兩端，河床壩段壩踵沒有出現裂縫，拱壩下游面除頂部兩端外沒有出現裂縫，開裂區開裂深度較小。

4、碾壓混凝土拱壩誘導縫布置形式研究

誘導縫是在壩內可能產生裂縫的橫截面預先設置的人工縫，人為地在壩體內構造薄弱面。當壩體溫度全面下降時，誘導縫所處的薄弱面能首先拉開，達到消散壩體應力、按預定要求引導溫度裂縫開裂、控制裂縫發展方向，以避免壩體產生無規則裂縫的目的。

4.1 誘導縫的設置

由于溫降荷載對壩體的受力及裂縫是不利荷載，為了研究誘導縫對壩體應力的影響，并且考慮誘導縫的設置原則，本文對以下幾種誘導縫布置方案進行壩體應力分析，計算工況為工況1（溫降工況），計算時誘導縫對斷面削弱1/4。另外根據計算結果選擇較合理的方案，對誘導縫在1/6和1/3削弱面積的情況下進行工況1（溫降工況）的計算，最后為了研究設置誘導縫對工況2（溫升工況）的影響，對選擇的較合理方案進行工況2（溫升工況）的計算分析，誘導縫布置方案包括以下幾種：

（1）方案1：設置1#和8#誘導縫，誘導縫對斷面削弱1/4；

（2）方案2：設置2#和7#誘導縫，誘導縫對斷面削弱1/4；

（3）方案3：設置3#和6#誘導縫，誘導縫對斷面削弱1/4；

（4）方案4：設置4#和5#誘導縫方案，誘導縫對斷面削弱1/4；

（5）方案5：設置1#、4#、5#和8#誘導縫，誘導縫對斷面削弱1/4。

（6）方案6：設置1#、4#、5#和8#誘導縫，誘導縫對斷面削弱1/6。

（7）方案7：設置1#、4#、5#和8#誘導縫，誘導縫對斷面削弱1/3。

4.2 設置誘導縫拱壩應力計算及成果分析

從計算結果可知，在設置誘導縫的位置，壩體應力分布明顯出現差別，其他部位應力分布變化不大，但在壩體頂部兩端及底部兩端等拉應力較大部位，拉應力有所減小，表明誘導縫的存在調整了壩體應力。各方案典型部位應力對比表見表，表1中拉應力為正，壓應力為負，單位MPa。

由表1可以看出：

（1）分析選取相同的誘導縫削弱程度，而不同的誘導縫布置位置的方案1～5可知，誘導縫設置位置越靠近頂部兩端，對頂部兩端拉應力的減小作用越大，但對底部兩端拉應力的減小作用則越小；反之亦然。而同時設置1#、4#、5#和8#誘導縫的方案5能較好的減小頂部兩端和底部兩端的拉應力。

（2）分析選取相同的誘導縫布置位置，而不同的誘導縫削弱程度的方案5～方案7可知，當誘導縫削弱程度在1/6～1/3的范圍內時，不同的削弱程度對誘導縫釋放壩體應力的程度差別不大。

（3）分析在溫升工況時設與不設誘導縫對壩體應力的影響可知，設置誘導縫的情況同樣能夠減小壩體上游面頂部兩端及底部兩端的拉應力和下游面壩趾的壓應力，但沒有溫降工況明顯。

5、結論

本文以某碾壓混凝土拱壩工程為依托，根據壩體三維非線性有限元分析和裂縫計算結果，探討了碾壓混凝土拱壩誘導縫的設置問題，對設置不同誘導縫形式的拱壩進行了應力分析。得出以下結論：

（1）由于降溫，體積收縮，壩體上下游面易出現較大的拉應力，且主要在拱端位置，在壩肩底部也會出現較大拉應力。因此本工程通過在拱壩相應位置設置誘導縫削減其拉應力的做法是合適的。

（2）實踐經驗表明，誘導縫不抗拉使拱的拉應力得到部分釋放，從而對拱壩整體應力狀態產生影響。計算結果發現，誘導縫不抗拉對誘導縫附近應力影響明顯，對壩體其他部位應力狀態影響較小。

（3）在壩體上部拱兩端和壩肩底部拉應力比較大的區域設置誘導縫，可有效消除該區域的表面拉應力，其作用明確。由于誘導縫設置要考慮壩體結構布置，不宜設置在壩體最大拉應力斷面，但誘導縫位置越靠近最大拉應力斷面其作用越明顯。

（4）對誘導縫在1/6～1/3削弱面積的范圍內幾種削弱程度下的計算表明，不同的削弱程度對誘導縫釋放壩體應力的程度差別不大，對壩體應力分布規律影響也不大。

參考文獻：

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