帶縱縫RFC重力壩壩基彈模敏感性分析

陳興梅，鄒 爽，曾令福，周禮鵬

(貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

RFC重力壩又稱堆石混凝土重力壩，是基于新興的RFC技術[1- 2]所修建的一種新型材料重力壩。RFC重力壩主要依靠高自密實混凝土的高流動性能和抗離析性能不斷地充填堆石骨架空隙，形成整體密實、強度可靠的大體積堆石混凝土。與常規混凝土相比，堆石混凝土材料具有低水泥用量、低水化熱、高強度、高工效、經濟環境效益突出[3]等優點。RFC重力壩的施工取消了復雜的溫控和分縫措施，簡化了施工工序，克服了機械碾壓和振搗帶來的負面影響，極大程度地打破了傳統混凝土重力壩的施工局限。

巖基上的重力壩作為一種依靠自重維持自身穩定的懸臂結構，要求壩基具備一定的強度、完整性、不透水性和抗滑能力。壩體應力和抗滑穩定是重力壩安全度的控制指標。文獻[4]指出重力壩壩體應力主要受壩基彈模、壩體材料分區、縱縫、溫度變化以及分期施工等因素的影響，抗滑穩定則與壩基的堅硬性息息相關。重力壩壩體與壩基相互作用的分析表明，壩基彈模變化對壩體安全度的影響十分顯著[5- 7]。壩基缺陷是導致重力壩失事的主要因素[8]。

現階段RFC技術還處于不斷發展中，行業內缺乏相關的規范和標準，許多設計理念還存在較大的分歧和爭議。建成的中低RFC重力壩相對較多，高RFC重力壩和RFC拱壩相對鮮見。目前，RFC重力壩的防滲設計參考了傳統混凝土壩和漿砌石壩的防滲設計，在壩體上游面設計防滲層[14]。這種設計雖簡化了分縫，但當采用常態混凝土澆筑防滲層時，無論是先澆筑常態混凝土防滲層還是先澆筑堆石壩體，防滲層和堆石壩體間會存在一條施工縱縫。對于帶施工縱縫工作的RFC重力壩，研究壩基彈模變化對其安全度影響尤其重要。本文以貴州某RFC重力壩工程為實例，采用二維有限元分析方法，開展帶施工縱縫的RFC重力壩的工作性態對壩基彈模的敏感性研究。探討壩基彈模變化對其變形和應力可能產生的影響以及其規律。

1 工程概況

某RFC重力壩坐落于貴州境內，是一座以村鎮人畜供水兼顧煙地灌溉用水的小(1)型水庫。水庫總庫容為240萬m3，正常蓄水位為1824.00m，工程等別為IV等。大壩為C15堆石砼重力壩，壩頂寬5.0m，最大壩高為45.3m。壩體防滲體系由上游C25W6F100鋼筋混凝土防滲層和壩基防滲帷幕構成，上游防滲層厚3.0m。壩體橫斷面如圖1所示。

圖1 大壩橫剖面圖

2 計算模型和方案

重力壩受力狀態是典型的平面應變狀態，二維模型既能保證重力壩的計算精度也能減少計算量[15]。有限元計算模型采用直角坐標系，以上游壩踵為坐標原點，X正向順水流向下游，Y正向鉛直向上，壩基上下游側向外擴展長度和壩基深度延伸長度均取兩倍壩高約90m。防滲層施工縱縫用5cm薄層單元模型進行仿真[16- 17]，有限元計算模型如圖2所示。模型共計17175個單元、17480個節點，壩體單元4125個(薄層單元84個)、壩體節點4250個。

圖2 有限元計算模型

依據傳統混凝土重力壩設計規范[18]，荷載組合為：靜水壓力+泥沙壓力+揚壓力+壩體自重。本文計算工況為校核洪水位情況，除壩基彈模外，其余計算參數均按原設計取值。淤沙浮容重取1.3t/m3，淤沙內摩擦角取18°，揚壓力折減系數取0.25，模擬縱縫的薄層單元的彈模、泊松比皆接近于0取值[19]，各材料計算參數見表1。

表1 有限元計算參數表

壩體材料上游防滲層和下游堆石壩體為異彈模，主體材料為堆石混凝土，取堆石混凝土彈模作為壩基彈模的比值對象。E1為堆石混凝土材料彈模，E2為壩基彈模，λ為E1/E2。本文旨在研究壩體變形和應力對壩基彈模變化的敏感性，防滲層和堆石壩體的彈模固定不變，巖石彈模大致在1～100GPa，本文設計方案中壩基彈模最小取到2.5GPa，最大取到80GPa，見表2。僅考慮壩基的線彈性作用，采用無質量的均質的壩基模型進行計算，壩基泊松比按原設計取0.3。

表2 壩基彈模計算方案表

3 結果分析

3.1 壩體位移

壩體上、下游面位移情況見表3和表4。壩體位移與壩基彈模成負相關，即壩基彈模越小，壩體變形越大。壩體順河向位移對壩基彈模的敏感度為壩趾>壩踵>上游面頂點=下游面頂點>下游面折坡點>上游面折坡點。下游面順河向位移對壩基彈模變化比上游面更敏感，折坡點以上豎直結構的順河向位移對壩基彈模的敏感度與其高程呈正相關。壩體鉛直向位移對壩基彈模的敏感度為壩踵>壩趾>上游面折坡點>下游面折坡點>下游面頂點>上游面頂點。鉛直向位移對壩基彈模的敏感度與其高程呈負相關，上游面鉛直向位移對壩基彈模變化更敏感。壩踵、壩趾處的位移變化率最大，說明壩趾、壩踵處位移對壩基彈模變化最為敏感。壩踵區鉛直向位移較順河向位移敏感，壩趾區則正相反。

表3 壩體順河向位移情況 單位：mm

表4 壩體鉛直向位移情況 單位：mm

壩基彈模變化對壩體位移的影響程度與壩體與壩基彈模比λ有關。壩基彈模與壩體彈模大小差異越大，壩體位移的變化率越大即越敏感。當壩體與壩基彈模比在1.25～1.5之間時，壩體位移變化幅度最小。λ<1.25時的位移變化率比λ>1.5時的平緩，說明當壩基彈模大于壩體彈模時，增大壩基彈模對壩體位移優化效果沒有當壩基彈模小于壩體彈模時顯著。壩基彈模越大，地基剛度越高，對地基巖性和地基處理的要求就越高，相應的工程投資就越大。

3.2 壩體應力

為更清晰的探究壩基彈模變化對壩體應力的影響，表5和表6給出了壩體上下游面的應力隨壩基彈模的變化情況。上、下游面壩頂與折坡點的應力受壩基彈模變化的影響較小，可忽略不計。但壩踵與壩趾處應力對壩基彈模的變化十分敏感。順河向應力除上游面壩頂與壩基彈模成正相關外，其余應力均與壩基彈模負相關。整體上基礎越軟，順河向應力越大。壩踵區順河向拉應力、壩趾區順河向壓應力都隨壩基彈模的減小而增大。從應力變化率來看，順河向應力對壩基彈模的敏感度為壩趾>壩踵。鉛直向應力在壩踵區隨壩體與壩基彈模比λ的增加而漸漸趨向于壓應力。即隨壩基彈模的增大，壩踵區鉛直壓應力逐步下降、鉛直向拉應力逐步增加。壩趾區鉛直向壓應力隨壩基彈模的增大而減小，與壩基彈模成負相關。鉛直向應力對壩基彈模變化的敏感度為壩踵>壩趾。對比順河向應力和鉛直向應力可看出，壩踵區鉛直向應力變化率偏大，對壩基彈模的變化較順河向應力敏感，壩趾區正好相反。

表6 壩體鉛直向應力情況 單位：MPa

同時壩踵應力、壩趾應力對壩基彈模的敏感程度也與壩體與壩基彈模比λ相關。壩體與壩基彈模比λ在1.25～1.5之間的應力變化率最小，隨著壩基彈模與壩體彈模差距的逐步增大，壩體應力對壩基彈模的敏感性也逐步增強，與位移規律類似。λ<1.25時，壩趾的應力對壩基彈模的敏感度隨λ的減小而增大。說明當壩基彈模趨向于大于壩體彈模時，不斷提高壩基彈模優化壩基條件對壩趾應力的改善效果越顯著。但壩踵處的鉛直向應力會趨向于拉應力，并隨壩基彈模的增大而增大，對壩體安全度不利。

3.3 施工縱縫縫面位移和應力

為明確壩基彈模對RFC重力壩施工縱縫的工作性能的影響，本文對該壩防滲層施工縱縫的縫面位移和縫面應力進行了研究。縱縫上、下游側的位移情況相同，具體如圖4所示。可見縱縫上的位移與壩基彈模成負相關，壩基越軟，縫面變形越大。縱縫頂端、折坡點以及底端的變形對壩基變化的敏感程度相當，敏感度隨著壩體與壩基彈模比變化而變化。

圖4 縱縫上游側位移情況

壩體防滲層施工縱縫縫面上的主應力隨壩基彈模的變化情況如圖5所示。正為拉應力，負為壓應力。可以看出，施工縱縫頂端和折坡處的主應力對壩基彈模的變化并不敏感，基本不受壩基彈模的影響，縱縫底端的主應力對壩基彈模變化比較敏感。縫面第一主應力與壩基彈模成正相關，壩基彈模越小，第一主應力越小。根據經驗，重力壩的縱縫只要縫面出現拉應力就可能張裂[20]。可見，壩基彈模越小，對改善縱縫性能越有利。縱縫上游側第三主應力較大并與壩基彈模成負相關，壩基彈模越小，第三主應力越大。第三主應力大致隨λ線性變化，說明縫面第三主應力對壩基的敏感程度基本不受壩體與壩基彈模比的影響。綜上，壩基彈模的下降雖可減少縱縫縫面的拉應力，降低縱縫的拉裂風險，但會使其上游側的壓應力增大。一旦上游側的壓應力超過其材料的極限抗壓強度就會發生破壞。

圖5 縱縫縫面主應力情況

4 結論

本文通過研究某帶施工縱縫工作的RFC重力壩的位移和應力對其壩基彈模變化的敏感性，分析得出以下結論：

(1)壩體上、下游面的變形、施工縱縫上的變形與壩基彈模負相關，位移對壩基彈模的敏感度隨壩體與壩基彈模差異的增大而增大。

(2)壩體折坡點以上豎直結構的應力基本不受壩基彈模的影響，壩踵區、壩趾區應力對壩基彈模變化十分敏感。對于帶施工縱縫的中低RFC重力壩而言，壩體與壩基彈模比在1.25～1.5時，壩體變形和應力相對處于最優水平。

(3)起坡點以上防滲層施工縱縫豎直部位的應力對壩基彈模不敏感，施工縱縫底端的應力對壩基彈模變化敏感。縫底主拉應力與壩基彈模成正相關，主壓應力與壩基彈模成負相關。減小壩基彈模會降低縱縫被拉裂的風險，同時也會增大縱縫被壓壞的風險。對于帶縱縫工作的RFC重力壩而言，其壩基彈模理應存在一個安全區間，既能保證縱縫的工作性能也能保證大壩的安全度。