碾壓混凝土拱壩誘導縫等效強度試驗及橢圓簡化模型的可靠性研究

王偉偉

(塔城地區水利水電勘察設計院，新疆 塔城 834700)

誘導縫是碾壓混凝土拱壩建設中在縫斷面埋設的中間存在一定縫隙的雙層混凝土板或金屬板[1]。誘導縫的主要作用是拱壩的縫斷面受到拉應力作用時可以率先開裂，從而使拉應力獲得釋放，保證周圍混凝土結構產生裂縫破壞，以保證大壩混凝土結構在溫度荷載作用下的安全穩定[2]。誘導縫雖然具有抗拉能力，但是這種抗拉能力已經被人為削弱[3]。因此，誘導縫能否達到控制壩體無序裂縫的實際效果，不僅取決于壩體在溫度荷載下的應力狀態，還取決于誘導縫被人為削弱后剩余的抗拉強度(等效強度[4]。在這方面，清華大學的曾昭揚教授最早提出碾壓混凝土拱壩誘導縫等效強度概念，并進行了相關領域的深入研究，認為誘導縫等效強度是研究和判斷誘導縫開裂特征的重要參數[5]。此外，國內外眾多學者在進行誘導縫等效效度計算過程中，均將矩形誘導縫簡化為橢圓形誘導縫，并據此進行了等效強度的計算公式[6]。因此，相關學者在研究溫度荷載作用下大壩誘導縫數值模擬計算中，一般也是用橢圓形誘導縫代替矩形誘導縫，以降低計算難度[7]。顯然，對誘導縫橢圓簡化計算模型的可靠性進行研究具有重要的理論和工程實踐價值?；诖耍舜窝芯客ㄟ^試件模擬試驗的方式，對碾壓混凝土拱壩矩形和橢圓誘導縫等效強度的特征和變化進行試驗研究，并進一步驗證橢圓簡化模型的可靠性。

1 試驗方案和試件制作

1.1 試驗方案設計

結合相關學者的研究成果，設計見表1的碾壓混凝土拱壩非穿透性誘導縫等效強度試驗方案[8]。其中，軸拉試驗考慮矩形和橢圓兩種誘導縫形式，40mm×90mm、55mm×100mm、70mm×110mm等3種不同尺寸以及7d、14d、28d、60d和90d等5種不同的齡期。為了保證試驗數據的準確性與可靠性，每種試驗方案制作3個試件，規格均為150mm×150mm×550mm，并將其試驗結果均值作為該方案的最終數據。誘導縫消弱度ω定義為誘導縫面積與試件截面面積的比值，為了對兩種不同形式的誘導縫的效果進行對比，試驗中橢圓形誘導縫的長軸和短軸的長度等于矩形誘導縫的長和寬[9]。

1.2 試件的制作和養護

試件的制作原料需要滿足碾壓混凝土重力壩的相關國家標準，其中，試件制作用水采用普通自來水；水泥采用PO42.5普通硅酸鹽水泥；沙子采用級配良好、質地堅硬的天然中沙；碎石采用的是最大粒徑為40mm的普通砂礫石材料，粉煤灰采用的是符合國家II 級標準的超細粉煤灰；減水劑為聚羧酸低引氣高效減水劑。試驗用誘導片為厚度2mm的金屬板，在埋片時涂抹一定量的礦物油，防止誘導片與周圍的混凝土發生黏連[10]。

表1 試驗方案設計表

按照碾壓混凝土重力壩施工規范要求進行混凝土拌合，在澆筑過程中每層混凝土利用平板振動器和搗振棒搗振，以模擬碾壓效果。試件成型后在室溫20℃、濕度50%的條件下保存48h 后拆模，然后在適度≥90%的條件下養護至試驗齡期。

1.3 試驗裝置和測量

本次試驗采用杭州萬高科技有限公司出品的WAW-3000C型萬能試驗機，進行軸拉試驗和數據采集。在試驗機上安裝試件，根據試驗要求設置好控制模式和試驗速度，在本次試驗中單步控制加載速度為0.4MPa/min，保持勻速加載，直到試件中的誘導縫發生斷裂破壞。數據采集項目包括：試件所承受的最大荷載；誘導縫尖端張開口的位移量。

2 試驗結果與分析

2.1 矩形誘導縫試驗結果分析

利用實驗結果繪制出見圖1和圖2所示的矩形誘導縫試件在不同齡期和消弱度與試件等效強度之間變化曲線。由試驗結果可知，在相同混凝土齡期條件下，矩形誘導縫的等效強度與誘導縫消弱強度之間呈顯著的負相關關系，也就是消弱度越大，試件的等效強度就越小。在誘導縫的消弱度相同條件下，矩形誘導縫等效強度和混凝土齡期之間呈現出復合指數相關關系。具體而言，誘導縫等效強度早期發展比較迅速，在28d齡期時即可達到90d等效強度的85%左右。由此可見，誘導縫等效強度的增長規律和碾壓混凝土強度的增長規律基本一致。

圖1 矩形誘導縫等效強度與消弱度擬合曲線

圖2 矩形誘導縫等效強度與齡期擬合曲線

2.2 橢圓誘導縫試驗結果分析

利用實驗結果繪制出見圖3和圖4所示的橢圓誘導縫試件在不同齡期和消弱度與試件等效強度之間變化曲線。由試驗結果可知，橢圓誘導縫試件的試驗結果與矩形誘導縫的試驗結果類似：在相同混凝土齡期條件下，橢圓誘導縫的等效強度與誘導縫消弱度之間呈顯著的負相關關系，也就是消弱度越大，試件的等效強度就越小。在誘導縫的消弱度相同條件下，橢圓誘導縫等效強度和混凝土齡期之間呈現出復合指數相關關系。具體而言，橢圓誘導縫等效強度早期發展比較迅速，而后期強度發展比較緩慢。由此可見，橢圓誘導縫等效強度的增長規律和碾壓混凝土強度的增長規律基本一致。

圖3 橢圓誘導縫等效強度與消弱度擬合曲線

圖4 橢圓誘導縫等效強度與齡期擬合曲線

2.3 橢圓簡化模型的可靠性驗證

在碾壓混凝土拱壩的誘導縫研究和數值模擬分析過程中，我國的眾多學者提出了眾多等效強度計算模型，這些模型一般都是將矩形誘導縫進行橢圓簡化。但是，在實際的工程設計過程中，一般是按照矩形形狀設置按照一定規律排列的雙向間隔誘導縫。因此，本次研究中，基于非穿透型碾壓混凝土誘導縫的等效強度軸拉試驗結果對上述簡化計算方式是否可靠進行驗證。根據試驗過程中獲得的矩形誘導縫和橢圓誘導縫等效強度試驗結果，計算獲得如表2所示的橢圓簡化模型等效強度誤差計算結果。

由計算結果可知，在相同的誘導片尺寸、混凝土齡期以及試驗條件均相同的前提條件下，橢圓形誘導縫和矩形誘導縫的等效強度試驗結果誤差均在8%以內，同時，隨著誘導片尺寸的增加，誤差呈現出明顯減小的趨勢。由于本次試驗所使用的試件的尺寸大小基本一致，且采用的原料相同，因此誘導縫等效強度誤差分析結果具有較高的可靠性?；诖?，認為橢圓簡化模型可以直接用于碾壓混凝土拱壩誘導縫數值模擬分析研究，基本不需要進行修正。

表2 兩種誘導縫等效強度誤差計算結果

3 結 論

本次研究利用試件模擬試驗的方法，對碾壓混凝土拱壩中非穿透型矩形誘導縫和橢圓形誘導縫等效強度與混凝土齡期和消弱度之間關系展開研究，并獲得如下結論：

1)無論是矩形誘導縫還是橢圓誘導縫，其等效強度與誘導縫消弱度之間呈顯著的負相關關系，也就是消弱度越大，試件的等效強度就越??；在誘導縫的消弱度相同條件下，誘導縫等效強度和混凝土齡期之間呈現出復合指數相關關系，誘導縫等效強度早期發展比較迅速，其增長規律和碾壓混凝土強度的增長規律基本一致。

2)根據橢圓簡化模型等效強度誤差計算結果，橢圓形誘導縫和矩形誘導縫的等效強度試驗結果誤差均在8%以內，同時，隨著誘導片尺寸的增加，誤差呈現出明顯減小的趨勢，認為橢圓簡化模型可以直接用于碾壓混凝土拱壩誘導縫數值模擬分析研究，基本不需要進行修正。