淺談對碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理的認識

蔡黎明，孫琰

淺談對碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理的認識

蔡黎明1，孫琰2

（1.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610；2.山東省臨沂市水利勘測設計院，山東 臨沂 276037）

根據碾壓混凝土筑壩技術的特點，研究了碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理的現狀，并綜述了碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理研究中存在的主要問題，提出了一些看法，最后總結了碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理研究中的一些重要結論。

碾壓混凝土；重力壩；失穩破壞機理；剪切屈服區

碾壓混凝土重力壩采用干貧混凝土、分塊分層連續澆筑、在面層上進行振動碾壓的施工方法[1]，具有倉面大、效率高、節約水泥、便于溫控等優點，廣泛應用于工程建設中。中國碾壓混凝土壩建設年代分布情況，如圖1所示。中國碾壓混凝土壩壩型分布情況，如圖2所示。由圖1、圖2可知，碾壓混凝土壩近些年得到了快速發展。碾壓混凝土筑壩技術具有一般混凝土壩的可靠性和土石壩的快速施工等特點。

圖1 中國碾壓混凝土壩建設年代分布情況

圖2 中國碾壓混凝土壩壩型分布情況

1 碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理研究現狀

碾壓混凝土重力壩（RCCD）具有費用低、施工快速等優點，近些年發展較快，有全面代替一般混凝土壩的可能性，但是，RCCD面層的較低抗剪強度限制了碾壓混凝土壩向高壩的發展趨勢。對RCCD壩體抗滑穩定進行分析時，以剛體極限平衡分析法為主，該方法存在著與實際情況不一致的重要假定，即滑動面上任意點同步達到極限狀態。有學者對一般混凝土重力壩沿基處面和基巖軟弱面層滑動的破壞機理等進行了較多研究[2]，目前還沒有取得比較一致的認識，且RCCD沿層面的穩定性問題研究也不深入。

段亞輝等人采用彈塑性有限元法對RCCD層面的破壞機理及過程進行分析，指出RCCD沿壩基的失穩破壞是壩址剪切應力區不斷向上游發展引起的[3]；李雪峰等人采用非線性有限元法，對碾壓混凝土重力壩的應力分布進行了分析計算，指出碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理不應忽略碾壓混凝土層面的影響[4]；賴國偉等人采用彈塑性有限元和不等比例降材料強度參數法，對碾壓混凝土高壩的破壞過程、機理和極限承載力進行了研究分析[5]；黃志強等人在碾壓混凝土的多相不均勻結構特點的基礎上，利用材料破壞全過程的分析軟件系統MFPA對高碾壓混凝土重力壩進行了全面分析，結果表明，裂縫擴展的第二階段為破壞過程的關鍵階段[6]。

2 當前存在的主要問題

對碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理的研究，一般學者都是針對碾壓混凝土壩的應力分布和穩定性進行分析計算，取得一些研究成果。但針對一些可能影響因素，諸如施工工藝與溫控、殘余應力與峰值強度比值變化等沒有考慮到。

壩體沿碾壓混凝土層面的失穩破壞和在壩基面的失穩破壞有很大的不同。在壩體上游面不存在拉裂區域；壩體碾壓混凝土層面上的點安全系數分布和壩基面相比較為均勻，安全系數最小值大于剛體極限平衡法抗剪斷公式計算的安全系數比值，并且殘余強度遠小于峰值強度之比，因此局部剪切屈服區出現后會迅速發展到整個層面，會使壩體沿層面迅速失穩破壞，屬于“脆性”破壞。此外，壩體沿碾壓混凝土層面失穩的“脆性”破壞與層面殘余強度與峰值強度的比值有較大關聯性。

對于碾壓混凝土重力壩中的低壩，壩體受到較小的水壓力，沿層面的抗滑穩定問題沒有引起較多關注。但對于碾壓混凝土壩中的高壩，層面的破壞問題異常突出。中國碾壓混凝土壩按壩高分布情況如圖3所示。

圖3 中國碾壓混凝土壩按壩高分布情況

由圖3可知，碾壓混凝土壩在200 m以上高壩中的應用較少。層面的破壞問題成為影響碾壓混凝土壩向更高方向發展的關鍵[7]。利用抗滑穩定可靠度、有限元模型、斷裂力學模型對碾壓混凝土壩層面研究較多，而采用強度儲備系數法結合彈塑性有限元法對碾壓混凝土壩層面穩定進行研究分析較少。比如，考慮碾壓混凝土壩的結構和施工工藝等特征，分析可能造成層面失穩破壞的因素對碾壓混凝土壩層面破壞的關聯度研究，最后對碾壓混凝土壩失穩破壞過程、機理和極限承載力進行研究分析。

3 一些研究思路

在研究碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理時，是否可以將施工過程與溫度應力、殘余應力與峰值強度的比值變化、施工方式等因素考慮進去。通過數理統計、數值模擬等分析方法將影響碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理的可能影響因素進行分析。

通過對碾壓混凝土重力壩失穩破壞的影響因素的多角度研究，可以探索出壩體沿碾壓混凝土層面失穩的“脆性”現象的原因。以此為依托，研究應對“脆性”現象的措施與改善方法。

是否可以將強度儲備系數法與彈塑性有限元法有機結合來研究碾壓混凝土壩的穩定性，進一步深入研究碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理。

4 結論

碾壓混凝土壩壩體順著壩基面失穩破壞，大多是由始于壩址并順著壩基面向上游發展的剪切屈服區造成的。雖然壩踵也存在拉裂區，但不會引起壩體的失穩破壞?；炷梁湍雺夯炷翂误w本身有較高的強度，不存在剪切屈服區。碾壓混凝土壩壩體順著碾壓混凝土層面的失穩破壞，在殘余應力很小時，屬于“脆性”破壞，增大下游面壩體區域層面的抗剪強度值，對改善沿層面的可靠度很有效。層面上的應力和點安全系數分布極不對稱，且隨著高程的變化而變化。層面施工時間間隔以及層面處理方法是影響層面抗剪強度的重要影響因素，對于碾壓混凝土重力壩的失穩破壞具有直接關聯性。碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理值得不斷探討與深入研究。

［1］張志.中國碾壓混凝土筑壩實例［M］.北京：電子工業出版社，1990.

［2］賴國偉，王宏碩，陸述遠.具有軟弱結構面壩基的穩定分析［J］.武漢水利電力學院學報，1987（4）：1-10.

［3］段亞輝，賴國偉.碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理的初步分析［J］.水利學報，1995（5）：55-59.

［4］李雪峰，王俊奇.碾壓混凝土重力壩失穩破壞機理研究［J］.紅水河，1997（3）：33-37.

［5］賴國偉，陳述遠，常曉林，等.高碾壓混凝土重力壩的失穩破壞機理和極限承載能力分析［J］.水力發電，2000（12）：17-20，68.

［6］黃志強，沈新普，唐康安.高碾壓砼重力壩層面失穩破壞的模擬分析［J］.沈陽工業大學學報，2008，30（5）：592-594.

［7］牛景太.高碾壓混凝土壩層面穩定分析方法研究［J］.廣西水利水電，2012（5）：12-16.

TV642.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.029

2095－6835（2020）01－0084－02

蔡黎明（1988—），男，安徽蕭縣人，碩士，工程師，研究方向為水工結構。

〔編輯：嚴麗琴〕