大壩混凝土面板防裂措施對比分析研究

周曉玉

(凌源市水務局， 遼寧 朝陽 122500)

1 工程背景

關門山水庫是一座以防洪和供水為主，兼有養殖和旅游等諸多功能的中型水庫。水庫壩址以上控制流域面積176.77 km2，正常蓄水位172.0m，總庫容7 661萬m3，設計洪水標準100年一遇，校核洪水標準2000年一遇。水庫主要建筑物包括大壩、河岸式溢洪道、泄洪輸水洞等，工程等別為Ⅲ等，永久性水工建筑物級別為3級。其中，水庫大壩為混凝土面板堆石壩壩型設計，大壩壩頂高程321m，寬度10m，壩軸線長度354.5m，最大壩高68m。大壩上游壩坡坡度為1∶1.4，下游壩坡第一級坡度為1∶1.4，其余各級坡度為1∶1.3，在下游壩坡布置由寬度為10m的8層上壩道路。壩體分為上游鋪蓋區、蓋重區、墊層區、過渡區、上游堆石區、下游堆石區、下游護坡和混凝土面板。壩基巖性以中厚層變質砂巖為主，局部夾中薄層砂質板巖，各項力學指標滿足壩基要求?；炷撩姘迨┕ぐ才旁?—6月進行，其最大施工長度為121.5m。

混凝土面板是面板堆石壩的壩體防滲結構，屬于一塊長條形的薄板，抗拉強度明顯偏低，極易產生裂縫[1]。在施工初期，由于面板內部的溫度急劇上升，并發生熱膨脹變形，后期隨著水化反應產生的熱量不斷減少，面板溫度逐步降低并發生收縮變形，如果收縮力大于面板混凝土的抗拉極限，就會產生裂縫[2]。相關研究和工程實踐顯示，溫度應力是混凝土面板早期裂縫產生的根本原因[3]。因此，展開溫度裂縫內在機理和防控措施研究具有重要的理論意義和實踐價值?；诖?，本次研究以關門山水庫混凝土面板堆石壩為例，以數值模擬的方式對面板防裂措施進行對比研究，以便為工程設計和施工提供必要的支持和借鑒。

2 面板防裂方案設計

根據相關研究和工程經驗，混凝土面板堆石壩面板開裂主要集中在面板澆筑的初期，主要原因是溫度和干縮產生的應力[4]。因此，在減少混凝土面板開裂，提高面板安全性方面，主要采取保溫、配筋和墊層措施[5]。結合關門山水庫大壩的工程實際，并充分考慮工程的經濟性，初步提出如下3種開裂防控方案。

方案1：大壩混凝土面板的施工時間為5—6月，混凝土的澆筑溫度為6 ℃，采用厚度為8 cm的聚乙烯泡沫塑料保溫板，混凝土面板不采用配筋措施，減少與墊層的約束，同時澆筑施工分2次進行。

方案2：大壩混凝土面板的施工時間為5—6月，混凝土的澆筑溫度為6 ℃，采用厚度為8 cm的聚乙烯泡沫塑料保溫板，混凝土面板不采用配筋措施，條件微膨脹劑，減少與墊層的約束，澆筑施工1次進行。

方案3：大壩混凝土面板的施工時間為5—6月，混凝土的澆筑溫度為10 ℃，采用厚度為8 cm的聚乙烯泡沫塑料保溫板，混凝土面板不采用配筋措施，條件微膨脹劑，減少與墊層的約束，澆筑施工1次進行。

3 有限元計算模型

3.1 模型的構建

在有限元模型的構建過程中，根據關門山水庫大壩的橫剖面，有限元模型取其中某塊面板的整個剖面，厚度為沿大壩壩軸線方向延伸12m，地基的計算范圍為上游和下游方向分別延伸1倍壩高，為80m，沿地基深度方向也延伸1倍壩高，為80m。

計算模型的坐標原點在壩體橫破面的中軸線部位，以順河向指向下游的方向為X軸正方向，以壩軸線方向指向右岸的方向為Y軸正方向，以豎直向上的方向為Z軸正方向。

模型的溫度場邊界條件為基巖4個側面以及壩體Y軸2個側面設置為絕熱邊界，基巖的上表面、混凝土面板以及壩體的下游面為第三類邊界條件[6]；對壩基底面為全位移約束，側面為簡支約束條件，其余邊界為自由邊界條件[7]。對構建的模型采用DC3D8單元進行網格劃分，共獲得5459個計算單元，6763個網格節點。模型的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 模型材料參數

在有限元模擬計算過程中，模型材料的參數對計算結果存在顯著影響。在此次研究中，結合相關工程規范中的規定和背景工程的實際，采用的模型材料參數[8]見表1。

表1 模型材料參數

4 計算結果與分析

4.1 方案1計算結果與分析

利用構建的有限元計算模型，對方案1條件下混凝土面板施工期的應力分布進行模擬計算。從計算結果中提取主要時間節點的壩坡向應力和第一主應力值的最大值，結果見表2。由表2中的結果可以看出，在混凝土面板的施工期，壩坡向應力的最大值呈現出先減小、后增大、最后趨于穩定的變化特點，穩定后的壩坡向應力最大值為1.08MPa左右；混凝土面板的第一主應力呈現出先緩慢增加、后迅速增加、最終趨于平穩的變化特點，穩定后的第一主應力最大值約為1.09MPa。從壩坡向應力和第一主應力最大值的計算結果來看，在施工過程中各個節點的最大值均小于面板混凝土材料的允許抗拉強度，最終差值為0.8MPa左右。考慮到施工中疊加寒潮以及面板混凝土澆筑過程中溫升因素造成的約0.75MPa的應力增量，仍可以保證施工過程中的應力值小于允許值，基本可以避免面板混凝土施工中的裂縫出現。

表2 方案1應力最大值計算結果

4.2 方案2計算結果與分析

利用構建的有限元計算模型，對方案2條件下混凝土面板施工期的應力分布進行模擬計算。從計算結果中提取主要時間節點的壩坡向應力和第一主應力值的最大值，結果見表3。由表3中的結果可以看出，在混凝土面板的施工期，壩坡向應力的最大值呈現出先減小、后增大、最后趨于穩定的變化特點，穩定后的壩坡向應力最大值為0.82MPa左右；混凝土面板的第一主應力呈現出先波動變小、后緩慢增大、最終趨于穩定的變化特點，穩定后的第一主應力最大值約為0.73MPa。從壩坡向應力和第一主應力最大值的計算結果來看，在施工過程中各個節點的最大值均小于面板混凝土材料的允許抗拉強度，最終差值為1.0MPa左右。考慮到施工中疊加寒潮以及面板混凝土澆筑過程中溫升因素造成的約0.75MPa的應力增量，仍可以保證施工過程中的應力值小于允許值，且存在一定的冗余，可以避免面板混凝土施工中的裂縫出現。

表3 方案2應力最大值計算結果

4.3 方案3計算結果與分析

利用構建的有限元計算模型，對方案3條件下混凝土面板施工期的應力分布進行模擬計算。從計算結果中提取主要時間節點的壩坡向應力和第一主應力值的最大值，結果見表4。由表4中的結果可以看出，在混凝土面板的施工期，壩坡向應力的最大值呈現出先減小、后增大、最后趨于穩定的變化特點，穩定后的壩坡向應力最大值為1.21MPa左右；混凝土面板的第一主應力也呈現出類似的變化特點，穩定后的第一主應力最大值約為1.22MPa。從壩坡向應力和第一主應力最大值的計算結果來看，在施工過程中各個節點的最大值均小于面板混凝土材料的允許抗拉強度，最終差值為0.6MPa左右。考慮到施工中疊加寒潮以及面板混凝土澆筑過程中溫升因素造成的約0.75MPa的應力增量，施工過程中可能出現混凝土面板應力值略大與混凝土材料抗拉允許值的情況，不利于施工過程中面板裂縫的控制。

表4 方案3應力最大值計算結果

5 結論

此次研究以關門山水庫大壩為例，利用數值模擬的方式對大壩混凝土面板裂縫防控方案進行對比分析，并得出如下主要結論：

(1)方案1和方案2均可以保證施工過程中混凝土面板應力值小于混凝土材料的抗拉允許值，可以避免面板混凝土施工中的裂縫出現。

(2)方案3施工過程中可能出現混凝土面板應力值略大與混凝土材料抗拉允許值的情況，不利于施工過程中面板裂縫的控制。

(3)方案1和方案2相比，方案2的應力值計算結果較小，更有利于施工過程中的裂縫防控，建議在工程設計中選用。