透水底板破壞模式研究

馬永磊

隨著對高壩下游防護工程的研究不斷深入和對一些水利工程破壞的實例分析，水墊塘穩定性的研究逐漸從“被動防護”模式向“主動防護”模式轉變。哈煥文[1]通過試驗研究了透水護坦的水力學特性，表明在護坦范圍內設置排水孔，當透水面積與護坦面積（開孔率）為5%到8%時，可以有效降低脈動荷載。張少濟[2]等對透水底板脈動壓力特性試驗表明，底板開孔相當于縮小了板塊的有效尺度。增設透水孔之后，不僅可以及時的將底板下表面的水排出，減小了上舉力，加強了水流的相互均化作用，起到了類似于調壓井的作用。文獻[3]研究透水底板的水動力荷載特性，得到了透水底板相對于不透水水底板更安全的結論，李琳[4]在文中對平底板的局部穩定安全系數的討論，對于研究透水底板的破壞模式具有借鑒意義。本文利用ANSYS建立三維非線性接觸有限元模型，通過非線性靜力計算與動力計算分析，研究透水底板可能的破壞模式，對于工程建設、優化透水底板的體型、水墊塘安全等提供參考。

1 計算荷載組合與數值模型

本文選定的計算荷載主要依據[5]為《SL253-2000溢洪道設計規范》，同時考慮到結構的安全穩定，工程的經濟以及方便施工。

主要研究荷載：①結構自重。②靜水壓力。平底板靜水壓力為直線分布的均布荷載。③揚壓力。考慮到底板下表面的抽排以及防滲帷幕與排水孔，當排水良好時，折減系數取0～0.1之間；排水正常時揚壓力可取0.064倍水頭，排水時效時，揚壓力取0.1倍水頭[5]。④錨固力。水墊塘底板布置Φ32的錨筋，深入基巖10 m，間排距為2.5 m×2.5 m～3 m×3 m之間。⑤底板與基巖的粘結力。根據規范[5]，數值模擬不考慮混凝土底板與基巖之間的粘結力。

考慮排水全部失效，則底板下表面承受的揚壓力、時均壓力差、脈動壓力等荷載可由底板承受的上舉力替代。水墊塘正常運行泄流工況中通常考慮的最不利是止水破壞且排水且失效，可能由于底板下表面的揚壓力過大而引起底板的整體失穩，故在非線性靜力分析時，選取此種工況作為控制工況。

數值模型的原型為向家壩水墊塘左半區，其水墊塘底板混凝土厚度在不同區域不同，選取其底流消能穩定區部分作為研究對象。底板順水流方向寬度與原型保持一致為15 m。基巖縱向深度選取為10倍的底板厚為100 m，順水流方向的基巖寬度為1倍底板寬度為15 m，根據文獻[3]選取最佳開孔率3.45%。在邊墻與底板之間不設置鍵槽[6]，計算模型見圖1。

板塊與板塊之間，板塊與導墻底座之間考慮庫倫摩擦模型，添加接觸單元TARGE170，摩擦系數為0.55，不考慮基巖與底板之間的粘合力。底板與導墻均采用SOLID65單元模擬，基巖采用SOLID185單元。錨筋采用LINK180單元，深入基巖10 m。

數值模型采用以下假定：

1）小位移小應變模式；

2）基巖底面施加全約束，順水流方向基巖底板施加順水流向約束，且板塊不允許有順水流方向的位移，垂直于水流方向基巖底板施加垂直水流流向約束；

3）由于考慮止水破壞且排水時效，不考慮基巖與混凝土之間的粘結力，故采用分布荷載施加作用于透水底板的下表面。模型各個部分的材料屬性列表，見表1。

圖1 透水底板整體計算模型

表1 模型各部分材料屬性

2 透水底板的結構失穩模式

楊敏[3]等通過對不同開孔率的平底板上舉力的研究，得到最佳開孔率為3.5%左右且在同一開孔率之下孔徑的變化對底板對承受上舉力影響不大的結論，基于此結論，在本數值模擬之中取其開孔率為3.5%。

2.1 靜力失穩

通過連續加載非線性靜力計算得到位移曲線。對比在荷載條件為56×9.81 kPa下，水墊塘底板不同位置的位移，底板最大位移發生在中間板塊，如圖2。在上舉力的作用下，不同板塊的位移不同呈“正拱”，中間板塊位移最大，兩邊板塊對稱遞。通過統計不同荷載條件下的中心板塊的最大位移，可以得到統計圖3。圖中的散點表示的是水墊塘底板在不同上舉力之下的位移，從圖中可以看出，隨著底板下表面的上舉力不斷地增大，板塊的最大位移也在增大，在失穩前，上舉力為56×9.81 kPa時，最大的位移值為0.096733 m。通過對荷載-最大位移數據進行線性回歸分析，其R2=0.9908，表明其在未失穩前，中間板塊最大位移與荷載呈線性關系。

圖4為邊緣板塊的最大位移隨荷載增長的曲線，邊緣板塊的位移同樣隨著荷載的增加而不斷增加，接近線性增長關系。對比圖3與4，通過對中間板塊的最大位移與邊緣板塊的最大位移，在同樣的荷載條件之下，中間板塊的最大位移是邊緣板塊的2倍左右，且當下表面的荷載越大時，其規律越明顯。

圖2 不同位置的板塊位移

圖3 中間板塊的最大位移

圖4 邊緣板塊的最大位移

2.2 動力失穩

通過以荷載增長速率為0.4×9.81 kPa/s的動力計算，通對位移-時間曲線的處理，得到水墊塘地板上任意一點的變形速率-荷載曲線，以其變形速率突然增大的點作為結構失穩點。

如圖5是水墊塘透水底板中間板塊的變形速率-荷載曲線，圖6是邊緣板塊的變形速率-荷載曲線。從圖中可以看到，在動力條件之下，水墊塘的透水底板結構在荷載為52×9.81 kPa時失穩，中間板塊的變形速率大于邊緣板塊，且中間板塊的位移也大于邊緣板塊。觀察中間板塊失穩曲線，可以看到在失穩之前，其板塊變形速率逐漸增加至穩定值，然后突變，說明板塊在遞增荷載的作用之下，位移在不斷地增加，直至最后錨固失效，中間板塊失穩。對應邊緣板塊的失穩曲線，其變形速率變化很大，最后突變，說明在整體失穩的過程之中，邊緣板塊的位移較小，偏于安全。如圖7是水墊塘底板失穩模式圖。

圖5 中間板塊的失穩曲線

圖6 邊緣板塊的失穩曲線

圖7 水墊塘底板整體失穩

2.3 斷裂、劈裂破壞

在本數值模擬之中，通過對混凝土材料的非線性設置，在靜力計算的條件之下，得到其裂縫的發展與可能發生破壞的區域。

圖8 水墊塘底板及導墻底座裂縫產生區域

圖9 中間板塊的裂縫及主拉應力分布

圖10 邊緣板塊與導墻底座的主拉應力分布

圖11 邊緣板塊和導墻底座的裂縫分布

圖8 是在上舉力荷載為56×9.81 kPa時，水墊塘底板與導墻底座的裂縫產生的區域分布圖。從圖中可以明顯的看到，在荷載的作用之下，中間板塊的裂縫產生的較多且較為集中的產生在底板的底部。同時，從圖中可以看到，在上舉力的作用之下，兩端是裂縫產生的集中區域。如圖9是在荷載為56×9.81 kPa時，水墊塘透水底板中間板塊的裂縫及其主拉應力分布的示意圖，從圖a中可以看到裂縫主要集中在于板塊的底部以及板塊的中間偏下部位，對于單一板塊，其裂縫從板塊中部的兩邊向中間逼近，可能在水壓力的作用下，產生從底板中部貫穿板塊裂縫，從而導致板塊的劈裂破壞。從圖b可以看到拉壓力主要集中于透水孔附近，混凝土材料具有優秀的抗壓性，透水孔附近的拉應力過大，當超過其抗拉強度時，就會出現破壞。透水孔的局部產生破壞，在脈動水壓力的作用下裂縫逐漸擴大，最終使底板斷裂。從圖10中的主拉應力云圖，在邊緣板塊與導墻底座相接觸的地方，由于“正拱”的作用，拉應力較為集中且都是在整體結構中最大的地方，從圖11邊緣板塊和導墻底座的裂縫分布圖中可以看到，導墻與底板相接處的地方即是拉應力最大的地方也是裂縫集中出現的地方。從圖a中可以看到，裂縫出現在透水孔附近。在揚壓力的作用之下，板塊的局部出現超過抗拉強度的最大拉應力，尤其是在底板中間部位和邊緣部位，混凝土結構優越的抗壓性能被抑制，只起到了隔絕水流與基巖、防止基巖被沖刷的作用。

3 結論

通過計算，得到如下的結論：

（1）中間板塊往往是板塊水墊塘底板失穩的危險點，其在未失穩前，中間板塊最大位移與荷載呈線性關系，中間板塊的位移大約是邊緣板塊的位移2倍，邊緣板塊的位移也與荷載呈線性關系。

（2）中間板塊的變形速率大于邊緣板塊，邊緣板塊偏于安全，說明在脈動壓力的做用下，中間板塊更容易失穩。

（3）裂縫多產生在底板下表面拉應力集中區域，受拉破壞，底板在揚壓力的作用下，可能產生劈裂失穩破壞，邊緣板塊與導墻底座相接觸上表面，易產生裂縫，有局部失穩的可能。

[1]哈煥文.透水護坦上動水荷載及其脈動的研究[J].水利學報,1964(02):14-26.

[2]張少濟,楊敏.消力塘透水底板脈動壓力特性試驗研究[J].水力發電學報,2010,29(06):85-89+94.

[3]楊敏,孫勉.水墊塘透水底板上舉力試驗研究[J].水力發電學報,2007(06):88-90+95.

[4]李琳.水墊塘底板水動力荷載及穩定性指標研究[D].天津大學,2012.

[5]中華人民共和國水利部，SL253-2000溢洪道設計規范，：中國水利水電出版社，

[6]彭彬,張建海,蒙承剛,陸民安.右江百色重力壩消力池結構縫鍵槽布置方案優化研究[J].四川大學學報(工程科學版),2004(01):19-23.