大石牛水電站拱壩誘導縫分縫設計方案及作用分析

李 爽

(遼寧省湯河水庫管理局有限責任公司,遼寧 遼陽 111000)

1 工程背景

大石牛水電站位于遼寧省丹東市鳳城市境內愛河干流草河支流上，是一座以防洪和發電為主，兼有養殖和旅游等諸多功能的綜合性水利樞紐工程[1]，設計庫容2430萬m3，裝有3臺8 MW的貫流式發電機組，裝機總容量24 MW，設計年發電量1.2億kW·h[2]。水電站的大壩為碾壓混凝土拱壩設計，最大壩高66 m。由于拱壩在施工過程中多采取大面積連續上升的高強度作業方式，因此在溫度荷載作用下產生的裂縫問題比較突出，對大壩結構的整體性與可靠性產生不利影響。在溫控措施中，合理設置誘導縫能夠有效改善壩體的約束條件，對大壩的溫控防裂具有關鍵性的作用[3]。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[4]。誘導縫的主要作用是在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，避免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[5]?；诖?，本文提出了大壩誘導縫的具體設計方案，利用ANSYS大型通用有限元軟件對其作用進行分析和評價。

2 誘導縫設計方案

碾壓混凝土拱壩不設置誘導縫，會導致十分嚴重的壩體溫度開裂。因此，合理設置分縫是拱壩設計中十分重要的環節。國內的工程主要采用誘導縫和橫縫相結合的分縫方式。由于大石牛水電站大壩壩高不大，橫縫施工比較復雜，不利于施工進度的控制。因此僅在壩體的合適部位設置一定數量的誘導縫，在減少工程干擾的情況下，達到控制溫度裂縫的目的。結合碾壓混凝土拱壩分縫實踐以及大石牛水電站大壩的實際情況，擬從左向右分別設置6條重力式預制混凝土板雙向間隔誘導縫，其樁號分別為0+031.52、0+084.13、0+137.13、0+206.43、0+279.53、0+354.45。誘導縫的預制混凝土板的長和高為1.0 m和0.3 m，相鄰誘導縫之間的縱向和橫向間距分別為0.6 m和1.5 m。

3 ANSYS有限元計算模型

3.1 有限元模型的構建

ANSYS 有限元軟件是ANSYS 公司推出的一款大型商用有限元軟件，功能十分完善和強大，可以通過與CAD數據的交換，實現模型的簡單調整，提升網格劃分的合理性與有效性，可以節省大量的計算時間[6]。APDL是ANSYS 有限元軟件的參數化設計語言，利用ANSYS 有限元軟件進行優化分析，可以大幅縮減優化設計過程中的工作量，進而提高分析的效率[7]。因此，本次研究選擇ANSYS 有限元軟件，以水電站的實地測量結果及設計平面圖為依據，進行數值計算模型的構建。研究中選取鄧肯模型作為模擬計算的本構模型，將壩體視為線彈性材料[8]。對大壩進行三維實體建模，模型以壩軸線指向右岸的方向為X軸正方向，以大壩向下游方向為Y軸正方向；以豎直向上的方向為Z軸正方向，模型向上下游分別延伸3倍壩高，向底部延伸1.5倍壩高，模型的長度取50 m。模型的網格劃分采用空間六面體等參單元，125 m高程以下為壩體的強約束區，125～134 m高程部位為弱約束區，134 m 高程以上部位為自由區。鑒于在有限元分析過程中需要預先進行熱分析，拱壩的外表面多為弧形或扭曲邊界，因此選擇20節點的高階三維實體單元進行模型的網格單元劃分，以提升模型分析的精度。最終，整個模型共劃分為20 980個網格單元，21 247個計算節點。由于壩體基礎均為同性巖石材料構成，因此將模型的所有部分均視為各向同性的線彈性材料。根據相關研究成果，矩形誘導縫可以簡化為等效的橢圓形誘導縫，以降低計算難度，其長軸和短軸分別為矩形誘導縫的長和寬。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

3.2 邊界條件和計算參數

計算模型的溫度邊界條件為大壩上游面水位以上的部位為大氣氣溫加2 ℃，以模擬輻射熱的作用和影響，上游面水位以下的部位取庫水溫；與上游面類似，大壩下游面水位以上的部位為大氣氣溫加2 ℃，下游面水位以下的部位取庫水溫；混凝土澆筑倉面的溫度為氣溫加2 ℃。模型地基的各個側面設定為法向位移約束；模型的底面為全位移約束。誘導縫部位的計算單元按照1.415 MPa的等效強度作為法向抗拉強度。

4 結果與分析

4.1 應力場模擬計算結果與分析

研究中利用已構建的模型，對大壩施工期至運行期的應力分布情況進行模擬計算，并從計算結果中提取大壩不同部位的最大溫度應力，結果如表1所示。由計算結果可知，大壩壩體的應力分布與溫度分布特征基本一致，符合一般規律。受環境溫度的影響，每年的高溫季節的壩體混凝土溫度應力相對較大，低溫季節則相對較小，呈現出比較明顯的周期性。由表1可知，壩體內部不同部位混凝土的最大溫度應力值均小于8.5 MPa的C25混凝土抗拉強度值，并有較大的冗余量，完全滿足相關工程設計要求。

表1 壩體混凝土溫度應力最大值

4.2 誘導縫開裂情況分析

利用大壩應力場模擬計算結果，對誘導縫的開裂情況進行預測分析。為了分析簡便，并不進行斷裂力學的分析，而建設誘導縫局部開裂產能的縫端應力作用可以導致繼續開裂。本文僅將1#和6#誘導縫開裂狀態的預測結果列于表2中。由計算結果可知，誘導縫的開裂全部發生在冬季。究其原因，主要是外界環境溫度的下降，會造成壩體中心和邊界之間的溫差并產生比較大的溫度應力，進而導致誘導縫開裂。從表2的結果來看，在大壩建成運行之后的第一個冬季，上下游面的誘導縫全部開裂。這說明在環境溫度迅速降低的情況下，誘導縫能夠按照設計要求率先開裂，從而保證大壩的安全運行。因此，本文設計的誘導縫布局合理，可以發揮釋放溫縮變形，達到了預期效果。

表2 1#和6#誘導縫開裂狀態預測結果

4.3 誘導縫對壩體應力的影響

顯然，誘導縫會對壩體的應力產生直接影響，研究中利用構建的有限元模型，對壩體應力進行模擬計算，根據計算結果導出的大壩上游面第一主應力云圖如圖2所示。由圖2可知，在誘導縫開裂的情況下，壩體應力呈均勻分布狀態，并且有明顯的分區特征。同時，誘導縫周圍區域的溫度應力值明顯降低。此外，隨著誘導縫開裂距離的不斷增大，溫度應力的降幅呈不斷縮小的態勢。如果忽視誘導縫部位的應力集中，其上游面的最大主應力值為1.85 MPa，小于該部位混凝土的抗拉強度允許值。由此可見，設置誘導縫可以消減大壩拱向溫度應力，大幅提升大壩本身的抗裂安全性。

圖2 大壩上游面第一主應力云圖

5 結 論

(1)施工期和運行期的應力模擬結果顯示，設置誘導縫方案下壩體內部不同部位混凝土的最大溫度應力值均小于混凝土抗拉強度值，并有較大的冗余量，完全滿足相關工程設計要求。

(2)在環境溫度迅速降低的情況下，誘導縫能夠按照設計要求率先開裂，從而保證大壩的安全運行，因此誘導縫布局合理，可以發揮釋放溫縮變形，達到了預期效果。

(3)大壩上游面第一主應力計算結果顯示，設置誘導縫可以消減大壩拱向溫度應力，大幅提升大壩本身的抗裂安全性。