夾巖水庫堆石壩一期面板施工期裂縫有限元建模分析

鐘 勛，譚劍波

（1.貴州省水利投資（集團）有限責任公司，貴陽550001；2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

混凝土面板作為堆石壩重要的防滲結構，其施工質量、整體性和耐久性會直接影響到水庫大壩能否穩定運行及功能能否正常發揮［1-2］。裂縫不僅會破壞混凝土面板的結構穩定性和整體性，且水經裂縫進入混凝土內部，在反復凍融破壞、水流沖刷和碳化等綜合作用，會導致混凝土劣化，使其結構性能逐漸衰退喪失，最終威脅到整個大壩的運行安全［3-4］。

夾巖水利樞紐工程是國務院2014～2020年分布建設的172項重大水利工程之一，同時也是貴州“十二五”期間開工建設的“一號工程”，總投資186.49億元［5］。夾巖水庫堆石壩一期面板混凝土于2019年3月7日開始澆筑，2019年4月26日澆筑結束。截止2019年8月29日，共發現裂縫49條，多為水平向分布。針對面板裂縫狀況，利用沈珠江院士提出的“南水”雙屈服面的彈塑性模型，以精細化仿真為手段，系統分析面板裂縫的主要影響因素，合理掌握裂縫發生和發展規律，以便為施工期面板防裂提出合理措施建議。

1 工程資料及裂縫情況

1.1 工程概況

夾巖水利樞紐工程位于畢節市與遵義市境內，工程涉及畢節、遵義2個地級市10個區（縣）。夾巖水庫正常蓄水位1323.0m，死水位1305.0m，水庫總庫容13.23億m3，興利調節庫容4.34億m3。設計灌溉面積6萬hm2，多年平均年配水量6.88億m3。大壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程1328m，壩頂長428.93m，壩頂寬10.0m，河床部位趾板最低建基面高程1174.0m，最大壩高154.0m。工程總體等別為Ⅰ等，屬大（1）型工程。

1.2 一期面板裂縫基本特點

截止2019年8月29日共發現裂縫49條，裂縫總長度503.01m，裂縫分布情況如圖1。

圖1 大壩一期面板混凝土裂縫分布

一期面板具有以下特點：①裂縫多產生在II序塊上。經統計，10塊II序面板有7塊出現裂縫，共計47條；10塊I序面板中，僅1塊出現裂縫計2條。I序面板出現裂縫的比例為10%，II序面板出現裂縫的比例為70%。②裂縫多為淺表層裂縫。最大裂縫寬度為0.14mm，最大裂縫深度為10cm，均為淺表層裂縫，均屬Ⅰ類裂縫（淺層裂縫）。③裂縫多呈水平向貫通展布。一期面板產生的49條裂縫全部為水平分布，其中46條裂縫長度貫通于面板寬度方向，貫通率達到94%。④裂縫多出現在面板長度中部。高程集中在1205.0～1225.0m之間。⑤裂縫所在面板澆筑時間多集中在高溫天氣。一期20塊面板中，產生裂縫的6塊II序面板澆筑時間集中在4月8～26日，該時間段多為晴好天氣，日最高氣溫多在25℃以上，產生裂縫面板在澆筑時間上呈明顯集中現象。

2 計算模型及材料參數

夾巖水庫大壩進行壩體應力變形分析時，堆石料結構采用沈珠江院士提出的“南水”雙屈服面的彈塑性模型，相比單屈服面模型，其可以模擬堆石體的剪脹和剪縮特性，能很好地模擬反映不同應力路徑下的壩體應力應變性狀［6］。由于堆石壩混凝土面板結構與壩體填筑材料間的剛度存在較大差異，荷載作用下結構體間接觸面因應力變形不一致出現相對位移，導致裂縫產生。為真實反映混凝土面板與壩體填筑材料間的相互應力變形位移作用，采用有限元進行分析時，應充分考慮兩者間的接觸特性。根據相關研究成果及類似工程應用實踐，此處采用Goodman無厚度單元進行模擬仿真計算。混凝土面板周邊縫接縫材料按連接單元進行模擬，而垂直縫則按分離縫模型模擬，其中分離縫可張開和錯動，但不能壓縮。大壩面板及填筑分期示意如圖2。

圖2 大壩面板及填筑分期示意

墊層料2A、過渡料3A、主堆石料3B和次堆石料3C1和3C2的靜力計算參數通過三軸試驗確定；主堆石料3B、次堆石料3C1及3C2的流變參數通過三軸試驗確定，其他堆石料參數則通過工程類比確定。為安全起見，次堆石3C1采用孔隙率為21%、試驗密度2.22g/cm3的建筑開挖料（該料與相同級配、同等孔隙率條件下的灰巖料相比，力學性能略差）。壩體填筑材料參數和流變參數計算成果如表1，表2。

表1 “南水”模型及材料特性參數計算成果

表2 流變參數計算成果

3 計算結果分析

3.1 面板約束條件對面板裂縫影響

面板主要受4個面的約束，其中底面受壩體堆石體的約束，下部受大壩趾板約束，左右兩側受相鄰Ⅱ序面板約束。面板底面由于設計考慮了在擠壓邊墻表面噴涂5mm厚的乳化瀝青，可有效減小堆石體對面板的約束。面板下部通過邊縫與大壩趾板銜接，周邊縫寬12mm，縫內填塞12mm厚瀝青硬木板，可有效減小堆石體對面板的約束。面板左右兩側通過垂直縫與相鄰Ⅱ序面板銜接，垂直縫寬12mm，縫內填塞12mm厚聚乙烯閉孔塑料板，相鄰Ⅱ序面板的約束非常有限。分析結果表明，面板約束條件非常有限，其對面板約束而導致裂縫的可能性較低。

3.2 壩體沉降對裂縫影響

經壩體變形三維有限元分析，壩體及面板變形、應力分布情況，如圖3～圖8。

圖3 澆筑期河床斷面沉降分布

圖4 竣工期河床斷面沉降分布

圖5 面板澆筑完面板撓度分布

圖6 竣工期面板撓度分布

圖7 面板澆筑完面板順坡向應力分布

圖8 竣工期面板順坡向應力分布

經壩體變形三維有限元分析計算，一期面板澆筑時壩體最大沉降量41.1cm，發生在河床壩段高程1238.0m；竣工期壩體有限元計算最大沉降量52.5cm，發生在河床壩段高程1260.0m。而上述時段壩內安全監測的最大沉降量分別為17，38cm，監測成果較理論計算成果略小，但分布規律基本一致，說明安全監測成果基本可靠。

根據安全監測布置，距離面板最近的大壩沉降測點主要有MB26下方高程1218.0m的SG1、高程1235.0m的SG11、高程1260.0m的SG19。由監測成果可知，SG1，SG11，SG19截止2019年8月15日的沉降量分別為47.28，42.77，110.01mm；在一期面板澆筑前的2019年2月26日的沉降量分別為47.03，34.03，50.0mm； 一 期 面 板 澆 筑 后 高 程1218.0，1235.0，1260.0m 沉 降 變 形 分 別 增 加 為0.25，8.74，60.01mm。 除高程1260.0m變形增加較多外，其余變形量變化較小。通過內插得面板頂部高程1254.0m最大沉降量為47.5mm，約為面板長度的1/2800，壩體沉降對面板裂縫影響較小。根據面板頂部高程1254.00m布置的5個臨時綜合位移測點監測數據知，2019年5月23日～8月15日一期面板頂部累計沉降-5.62～15.61mm，面板累計沉降量較小，因大壩沉降引起的面板裂縫可能性較小。從面板撓度監測、脫空監測、鋼筋應力監測、混凝土應變監測等數據均較為正常，未出現較大應力應變，說明壩體沉降對面板受力條件未產生明顯影響，可輔助證明大壩沉降引起的面板裂縫可能性較小。

目前面板裂縫多分布II序塊上，如果裂縫是因大壩沉降引起，在I序塊上也應出現裂縫，綜合分析說明大壩沉降不是面板裂縫產生的主要因素。

3.3 入倉溫度對面板裂縫影響

面板澆筑次序按 “先奇數后偶數、先兩岸后中間”原則進行。面板澆筑順序、混凝土澆筑溫度與裂縫條數間的關系，如圖9和圖10。

圖9 面板澆筑順序

圖10 混凝土入倉溫度～混凝土裂縫條數關系曲線

由圖9和圖10可知，面板裂縫出現隨澆筑溫度的升高呈明顯的增加趨勢，混凝土澆筑溫度高于20℃的面板發生裂縫條數共計47條，占總裂縫條數的96%。產生裂縫最多的面板為MB26及MB24，分別為14條和10條。混凝土入倉溫度達到27.7～26.9℃，說明面板裂縫產生與混凝土入倉溫度有密切關系，可能是面板產生裂縫的主要因素。

3.4 環境氣溫對面板裂縫影響

一期面板澆筑時間為3月7日～4月26日，出現裂縫的面板多為4月份澆筑的面板。查天氣后可知， 畢節市2019年3～6月份平均最高氣溫為13.3，23.1，20.9，25.3 ℃，4月份平均氣溫比3月份高9.8℃。面板混凝土澆筑氣溫～混凝土裂縫條數關系，如圖11。

圖11 澆筑環境氣溫～混凝土裂縫條數關系曲線

由圖11可知，面板裂縫出現隨氣溫的升高呈明顯的增加趨勢，澆筑氣溫高于25℃的面板發生裂縫條數共計45條，占總裂縫條數的92%。產生裂縫最多的面板為MB26及MB24，產生裂縫分別為14條和10條。混凝土澆筑時環境氣溫最高達到27～29℃，說明面板裂縫產生與澆筑環境氣溫有密切關系，可能是面板產生裂縫的主要因素。

4 結語

結合夾巖水庫堆石壩結構特點及實際施工條件，采用三維有限元模擬壩體逐級施工填筑過程，對一期面板混凝土在面板約束、壩體沉降、混凝土入倉溫度及澆筑環境氣溫條件下的應力變形進行了分析。裂縫致因研究成果表明：面板約束和壩體沉降均處于合理范圍內，其造成面板裂縫的可能性較小；面板裂縫出現隨澆筑溫度和澆筑環境氣溫的升高呈明顯增加趨勢，水化溫升與環境溫差是面板產生裂縫的主要因素。