拱壩施工期未封拱壩段懸臂擋水問(wèn)題研究

雷 菲，曹雙利，井德剛，馬曉芳，胡書(shū)紅，張 磊

(1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3.雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610056)

0 引 言

壩體施工期臨時(shí)度汛措施主要有壩體攔洪度汛、壩體過(guò)流度汛和圍堰攔洪度汛等方式，其中壩體攔洪度汛分為壩體全斷面攔洪度汛和臨時(shí)斷面攔洪度汛，臨時(shí)斷面攔洪度汛是施工過(guò)程中經(jīng)常采用的一種度汛方式。大壩混凝土澆筑高程超過(guò)上游圍堰頂高程時(shí)，會(huì)由大壩臨時(shí)斷面擋水度汛，而此時(shí)若拱壩封拱灌漿高程低于上游水位，存在未封拱壩段懸臂擋水問(wèn)題，為保證壩體臨時(shí)斷面度汛擋水的安全性，對(duì)未封拱懸臂部位的應(yīng)力、變形以及橫縫開(kāi)度進(jìn)行分析論證是很有必要的。本文以某拱壩為例，通過(guò)全壩三維有限元法仿真計(jì)算[1-2]對(duì)施工過(guò)程中汛期懸臂擋水問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 工程問(wèn)題和研究思路

某常態(tài)混凝土雙曲拱壩，壩高155 m，最大壩段寬24 m，共分17個(gè)壩段施工。壩址區(qū)多年平均氣溫較低，壩址氣候條件復(fù)雜，極端氣溫溫差大、晝夜溫差明顯。根據(jù)大壩混凝土施工進(jìn)度計(jì)劃，2020年4月底大壩混凝土澆筑高程將超過(guò)上游圍堰頂高程，進(jìn)入中期導(dǎo)流階段，擬由大壩臨時(shí)斷面擋水度汛，右岸2條導(dǎo)流隧洞泄流，相應(yīng)的上游水位為2 035.83 m。按照拱壩接縫灌漿進(jìn)度計(jì)劃，至2020年4月底拱壩接縫灌漿高程為2 010 m，存在未封拱壩段懸臂擋水問(wèn)題。

一般來(lái)講，懸臂擋水可能會(huì)在懸臂根部引起較大拉應(yīng)力，在水壓作用下懸臂的變形傾向下游，對(duì)于拱壩橫縫會(huì)有壓緊的趨勢(shì)，因此需要重點(diǎn)關(guān)注懸臂根部的應(yīng)力以及對(duì)橫縫開(kāi)度的影響。因此，需要對(duì)未封拱懸臂部位的應(yīng)力、變形以及橫縫開(kāi)度進(jìn)行仿真分析評(píng)估，采用全壩全過(guò)程仿真分析方法，通過(guò)建立全壩三維有限元模型[3]，模擬大壩從開(kāi)澆至度汛擋水整個(gè)施工過(guò)程[4- 6]，模擬過(guò)程中充分考慮各種施工因素，包括澆筑溫度、澆筑時(shí)間、冷卻水管間距、通水冷卻時(shí)間、冷卻水溫、冷卻水流量、倉(cāng)面保護(hù)、外界氣溫以及度汛擋水過(guò)程等。研究在自重荷載、溫度荷載、水壓荷載綜合作用下懸臂部位的最大拉應(yīng)力是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，分析擋水前后壩體的變形規(guī)律，以及懸臂擋水過(guò)程中橫縫開(kāi)度的變化規(guī)律，判斷是否影響大壩接縫灌漿。

2 基于全壩全過(guò)程仿真分析的懸臂擋水研究

2.1 計(jì)算模型

拱壩整體計(jì)算模型如圖1所示，圖2為拱壩橫縫示意。網(wǎng)格剖分采用空間六面體和五面體等參單元，單元總數(shù)為320 970個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)381 880個(gè)。在壩體表面溫度梯度較大，設(shè)置相對(duì)較薄的單元，由外向內(nèi)網(wǎng)格逐漸變粗。同時(shí)，為了模擬分層澆筑過(guò)程，計(jì)算網(wǎng)格在高度方向上的單元厚度取為0.5 m。地基底部和左右岸尺寸為壩高的1.5倍。

圖1 全壩仿真計(jì)算模型

圖2 拱壩橫縫示意

2.2 混凝土材料熱、力學(xué)參數(shù)

大壩為常態(tài)混凝土拱壩，壩體材料分為A區(qū)和B區(qū)兩種，A區(qū)混凝土采用四級(jí)配C30W10F200，B區(qū)混凝土采用四級(jí)配C25W10F200，相同級(jí)配的混凝土配合比參數(shù)一致，熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)一致，如表1、2所示。

2.3 計(jì)算邊界條件與方案

采用三維有限元法模擬拱壩施工過(guò)程，計(jì)算中充分考慮施工現(xiàn)場(chǎng)澆筑層厚、澆筑溫度、間歇時(shí)間、倉(cāng)面保護(hù)以及水管冷卻等措施。上游面蓄水前為氣溫邊界，蓄水后水位以下為水溫邊界，水位以上為氣溫邊界，下游面為氣溫邊界，倉(cāng)面考慮太陽(yáng)輻射熱為氣溫+2 ℃。地基底面為固定約束，四周為法向約束。

表1 壩體混凝土熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)

表2 壩體混凝土抗拉強(qiáng)度 MPa

根據(jù)設(shè)計(jì)溫控措施、澆筑進(jìn)度、封拱灌漿進(jìn)度、度汛時(shí)間等模擬拱壩澆筑過(guò)程，計(jì)算中考慮自重荷載、溫度荷載、水壓荷載、混凝土自生體積變形與徐變等因素，在此基礎(chǔ)上研究臨時(shí)斷面懸臂擋水應(yīng)力與變形規(guī)律。

2.4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

按照計(jì)劃澆筑進(jìn)度和封拱灌漿進(jìn)度，壩體在2020年4月底懸臂擋水時(shí)，大壩接縫灌漿高程為2 010 m，各壩段懸臂高度為44～60 m，如表3所示。8號(hào)壩段懸臂高度最小，懸臂高度為44 m，12號(hào)和13號(hào)壩段懸臂高度最大，懸臂高度為60 m。圖3、圖4分別為2 010 m高程拱圈應(yīng)力云圖和變形云圖，云圖中從左岸至右岸分別為5號(hào)～14號(hào)壩段。圖4中變形放大1 000倍，正值指向上游，負(fù)值指向下游。

表3 壩體擋水時(shí)各壩段懸臂高度 m

圖3 2 010 m高程拱圈應(yīng)力云圖(單位：10-2 MPa)

圖4 2 010 m高程拱圈變形云圖(單位：m)

由圖3可知，大壩壩前水位為2 035.83 m，大壩懸臂截面2 010 m高程第一主應(yīng)力總體小于0.5 MPa，建基面附近受陡坡約束和應(yīng)力集中影響應(yīng)力為1.0 MPa左右，豎向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，相應(yīng)齡期安全系數(shù)大于2.0。SL 282—2018《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)范”)中7.3.3條規(guī)定：施工期未封拱壩體最大拉應(yīng)力不宜大于0.5 MPa。2 010 m高程懸臂截面的應(yīng)力基本滿足規(guī)范要求。2 010 m高程以下，壩體完成了接縫灌漿；2 010 m高程以上，內(nèi)部混凝土第一主應(yīng)力基本小于0.5 MPa，在上游建基面附近受基礎(chǔ)約束和應(yīng)力集中影響應(yīng)力為1.0 MPa左右，相應(yīng)齡期安全系數(shù)大于2.0。

由圖4可知，2 010 m高程懸臂截面在壩體擋水前徑向變形除靠近基巖部位略向下游變形外，其余部位均向上游變形，10號(hào)河床壩段向上游徑向變形最大，徑向變形為7.7 mm，其中8號(hào)壩段向上游徑向變形為4.7 mm。擋水后受水壓作用除靠近基巖部位略向上游變形外，其余部位均向下游變形，8號(hào)壩段向下游徑向變形最大，徑向變形為5.2 mm(綜合向下游變形9.9 mm)，10號(hào)河床壩段向下游徑向變形為2.5 mm(綜合向下游變形10.2 mm)。

壩體橫縫開(kāi)度與壩體溫度呈負(fù)相關(guān)變化，壩體溫度下降橫縫開(kāi)度增大，橫縫開(kāi)度在二期冷卻末期達(dá)到最大，橫縫灌漿后開(kāi)度為0。圖5為不同壩段典型橫縫不同高程開(kāi)度過(guò)程線，由圖5可知，在壩體擋水之前，未封拱高程的橫縫開(kāi)度為0.6～3.0 mm，其中河床壩段較陡坡壩段開(kāi)度大，靠近2 010 m高程懸臂截面部位由于二期冷卻已經(jīng)完成較上部未完成二期冷卻部位開(kāi)度大。當(dāng)2020年汛期擋水壩前水位為2 035.83 m時(shí)，橫縫開(kāi)度總體減小，呈壓緊趨勢(shì)，橫縫開(kāi)度減小0.6～1 mm，半個(gè)月后水位退去時(shí)橫縫基本恢復(fù)至壩體擋水前的開(kāi)度。

圖5 不同壩段典型橫縫不同高程開(kāi)度過(guò)程線

3 結(jié) 論

本文對(duì)某拱壩進(jìn)行三維有限元仿真計(jì)算，研究施工期臨時(shí)斷面懸臂擋水對(duì)壩體應(yīng)力、變形以及橫縫開(kāi)度影響。研究結(jié)果表明：①在設(shè)計(jì)澆筑進(jìn)度、灌漿進(jìn)度和壩前水位條件下，擋水后懸臂應(yīng)力滿足規(guī)范要求，應(yīng)力總體小于0.5 MPa，建基面附近受陡坡約束和應(yīng)力集中影響應(yīng)力為1.0 MPa左右。②懸臂擋水使壩體徑向變形由向上游變形轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳掠巫冃危?0號(hào)河床壩段擋水前受倒懸影響，向上游徑向變形為7.7 mm，擋水后受水壓作用向下游徑向變形為2.5 mm，綜合向下游變形10 mm左右。③擋水后在水壓作用下橫縫開(kāi)度呈壓緊趨勢(shì)，橫縫開(kāi)度減小0.6～1 mm，半個(gè)月后水位退去時(shí)橫縫基本恢復(fù)至壩體擋水前的開(kāi)度。