考慮溫度場的面板堆石壩穩定性研究

吳志波

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

面板堆石壩最初發源于美國，是一種在壩體底部放置塊石作為堆石體，上游面澆筑混凝土面板的一種壩體結構類型[1]。其發展歷史大致經歷了三個時期：拋填堆石階段；拋填堆石向碾壓堆石發展階段；采用碾壓堆石階段，逐漸向高壩和超高壩發展[2]。經過120多年的發展，目前已經成為一種常見的壩型。

隨著技術的進一步發展，碾壓面板堆石壩在應力變形和結構密實度等方面有進一步的改善[3]，但是變形對于大壩的安全運行依然是一個很大的隱患[4]。對于大壩的穩定性影響因素眾多[5- 6]，許多學者進行了諸多的研究，同時也取得很大進展，但是關于溫度場引起的應力變化則較為復雜[7- 10]，其研究相對較少。本文以此為出發點，利用ABAQUS[11]對在運行期內考慮溫度場時大壩在相關荷載作用下的壩體應力變形特性進行研究，為大壩實際運行提供理論依據。

1 模型建立

以某水庫壩體以上流域集水面積66.8km2，上游主河道長14.8km，河道比降16.9‰，大壩正常運行水位447m。大壩荷載作用主要包含自重、水壓力、變溫荷載。水庫55m以下水溫保持在3.9℃左右，上面水溫受大氣溫度影響較大。統計多年平均氣溫見圖1：

圖1 多年平均氣溫圖

設定X方向為順水流方向；Y方向豎直向上。壩體各部分按照對應材料參數進行設置；靜水壓力在二維中按Pressure施加，選擇Hydrostatic分布，水容重取9.8kN/m3。

模型建立過程中，為了更符合實際情況，基巖底部設置成全約束，壩基兩側設置水平向約束；壩基上面壩體和面板不做過多設置?？紤]到壩體的復雜性，對于選取的特征斷面，需要通過對其計算反映出壩體及面板其他部位的受力特性，進而推算整體的穩定性。本文選擇壩體最大橫斷面作為特征斷面進行網格劃分，網格節點總數889個，單元總數835個。選取的壩體特征橫斷面如圖2所示；特征點位置及網格如圖3所示。

圖2 壩體橫斷面材料分區圖

圖4 壩體豎向位移云圖(m)

圖6 壩體水平位移云圖(m)

圖3 有限元模型單元

2 應力變形分析

2.1 壩體位移分析

壩體沉降計算結果如圖4所示。

圖4可以看出，壩體上游中部A點下降明顯，壩體中部B、C、D三點出現輕微的上移，壩體底部位移變化不大。圖5是特征點豎向位移在不同月份的變化情況，B、C、D三點的變化趨勢相同，1至8月份隨著溫度的升高，由于壩體受熱膨脹，有向上移動的趨勢；8至12月份，隨著溫度的降低，壩體收縮，壩體逐漸收縮，特征點處位移還是向上。A點在庫區水面下，受到水體的隔離，基本處于恒溫狀態，受重力和水壓力作用，有向下的位移，且其位移受外界溫度變化影響不明顯，最大沉降位移為2.57cm。

圖5 壩體特征點豎向位移圖

壩體水平位移計算結果如圖6所示。

圖6可以看出，在水壓力的作用下，壩體有向下游運動的趨勢。水平位移最大值出現在壩體中部B點附近；A、C、D三點的位移相對較小，壩底幾乎不動。

圖7是特征點水平位移在不同月份的變化趨勢，從1至8月份隨著溫度的升高，由于壩體受熱膨脹，有向上和兩側移動趨勢。A點位置處水平位移相對比較大，在1至7月份由靜水壓力產生的壩體位移和由于氣溫回升引起壩體受熱膨脹運動趨勢方向相反；在8至12月份，壩體隨溫度的降低逐漸收縮；所以A點的位移先減小后增大，在8月份達到最小，最大位移出現在12月份，為4.34cm。D點受熱脹冷縮的影響，壩體位移在全年內先增大后減小，最大位移出現在8月份。B、C兩點位于壩頂，水壓力作用大于比較明顯，所以整體向下游運動，兩者位移變化幾乎一致，位移大小在2cm左右。

2.2 壩體應力分析

壩體最大主應力計算云圖如圖8所示。

由圖可知，壩體基本處于受壓狀態，壩體內應力分布比較均勻，壓力分布隨高程的增加逐漸減小，最大壓應力出現在底部壩體和壩基接觸位置。溫度變化對壩體的應力分布有影響，其中，壩體最大主應力在每月份有所不同，最大值出現在8月份，其值為1.98MPa；在1月份時最小，其值為1.57MPa。

壩體最小主應力計算云圖如圖9所示。

由圖9可知，壩體內部整體處于受壓狀態，且壓應力最大值隨溫度變化有所變化。在壩頂防浪墻處和壩體與面板接觸位置出現局部拉應力，拉應力隨著溫度的降低會有所增大。因為位于表層的混凝土與大氣直接接觸，易受氣溫變化影響。

壩體最小主應力最大值出現12月份，為-0.234MPa，最小值出現在8月份，為-0.121MPa。在整個年度內，應力均滿足材料的強度要求。

圖9 不同月份壩體最小主應力云圖(KPa)

圖11 不同月份面板最大主應力云圖(KPa)

圖12 不同月份面板最小主應力云圖(KPa)

2.3 面板應力分析

面板主應力在全年變化如圖10所示。

圖10 面板應力變化圖

由圖10可知，混凝土面板的最大主應力的變化趨勢為隨著溫度的升高逐漸增大，隨溫度降低逐漸減小，最大值出現在8月份；分布位置受氣溫變化影響較大，7至10月份主要分布于趾板位置處，11至來年6月份則主要分布在距壩底下側1/3～1/2處。最小主應力隨著溫度的升高逐漸增大，隨溫度降低逐漸減小，影響效果不太明顯。7、8月份集中分布在混凝土面板頂部，9至來年6月份主要分布在面板底端1/3～1/2位置處?；炷撩姘宓湫驮路莸淖畲笾鲬妥钚≈鲬Ψ植既鐖D11～圖12所示。

考慮到混凝土面板抗拉性能較差，庫區底部低溫水會對面板產生溫度應力，進而可能對拉應力分布范圍和大小產生影響，加劇混凝土的開裂。從拉應力隨溫度的分布來看，混凝土面板下側出現裂縫機率較大的是12月份和1月份。本工程最大拉應力為0.236MPa，滿足材料的抗拉強度要求。

3 結論

(1)壩體整體有向下游運動趨勢。豎向位移最大值出現在上游斜面距壩底1/3位置處，水平位移最大值出現在上游面板中部。

(2)壩體整體處于都是受壓狀態，受氣溫變化的影響，最大主應力在8月份達到最大；最小主應力在12月份達到最大，均滿足強度要求。

(3)混凝土面板最大主應力隨溫度升高逐漸增大，最大值出現在8月份。最小主應力隨溫度降低逐漸增大，最大值出現在12月份。

(4)綜合考慮，建議在12月份加強大壩面板的檢測力度。

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