已澆筑碾壓混凝土及裂縫對碾壓混凝土重力壩的安全性影響研究

伍世朝

(中國水利水電第三工程局有限公司,西安 710024)

0 引 言

碾壓混凝土重力壩具有結構強度高、使用壽命較長、不易開裂等優點,被越來越多地應用于水利、交通等基建工程中[1]。RCC重力壩就是壩體有部分結構由RCC構成的一種重力壩。為了提高這類重力壩的運營安全性,工程技術人員進行了相關研究。高山等[2]為解決RCC重力壩的大體積混凝土溫控防裂問題,構建了有限元模型,分析這類重力壩的溫度應力場,并提出相應的施工期控溫措施。結果表明,提出的控溫防裂措施能夠有效提高RCC重力壩由溫度變化產生的裂縫發育和產生。胡良明等[3]發現碾壓混凝土重力壩遭遇地震作用時,切割式橫縫的存在會影響大壩整體性,進而影響大壩的地震損傷情況及抗震性能。研究還發現,增加壩體橫縫數量和橫縫接觸面初始強度,能有效減少高碾壓混凝土重力壩震后損傷程度。因此,裂縫對于RCC重力壩的結構安全具有重要意義。

本文從RCC厚度和裂縫發育規律角度,研究有利于提高RCC重力壩運用安全性的策略。

1 碾壓混凝土重力壩計算模型搭建

1.1 有限元模型建立準備及網格劃分

本次研究對象為國內西南地區某水電站上的碾壓混凝土重力壩,其正常蓄水位、校核洪水位、死水位分別為374、319、329m,壩體最大高度192m,壩頂全長741m。大壩修筑過程共消耗混凝土762×104m3,其中碾壓混凝土用量504m3。本文選用ABAQUS軟件,建立該大壩的仿真數值模型,以便對后續的應力應變和開裂過程進行研究[4-6]。考慮以上工程背景,選用壩體的最高非溢流環境擋水壩節段作為研究對象。同時,為簡化運算,對選中段進行以下假設處理:不考慮防滲面板、防浪墻等結構;不考慮壩體分期施工的影響;壩體的材料參數統一[7-9]。首先確定壩體的計算剖面,剖面材料有碾壓混凝土和常態混凝土,簡化后的研究對象計算剖面結構見圖1。

圖1 研究壩體的計算剖面示意圖

該計算剖面是后續靜力分析和裂縫計算的基礎,但后者需要在壩體上布置預裂縫。根據《碾壓混凝土重力壩設計規范》(DL 5108-1999)、《混凝土重力壩設計規范》(SL 319-2005)等相關規范,確定各建造壩體主要材料的力學和物理參數[10]。構建壩體有限元模型前,進行以下假設[11-13]:首先,鉛錘方向上為Y軸正方向、順河流方向為X軸正方向、大壩軸線指向右岸為Z軸正方向[14]。其次,認為壩體與地基、各碾壓層之間均存在剛性聯結,且將壩體混凝土、地基巖石分別看作彈性材料和彈塑性材料,認為地基中不存在軟弱夾層和斷層[15-17]。荷載方面,將作用于壩體上下游面的水壓力視為靜水壓力。考慮到實際施工情況和設計難度,碾壓層厚度定為30、40、50cm。然后,考慮模型各關鍵位置的應力情況、單元形狀一致性、材料特性和大壩地基情況,劃分有限元網格。劃分結果見表1。

表1 壩體有限元網格劃分結果

1.2 荷載計算方法設計及工況選擇

按照力的類型,將作用于壩體的力劃分為可變作用荷載、永久作用荷載,下面分別討論各自的計算方法。通過在軟件中定義各分區的彈性模量、泊松比、容重,利用式(1)計算得到壩體自重G[18]:

G=γV

(1)

式中:γ為大壩的混凝土容重,kN/m3;V為混凝土體積。

上下游受到的靜態水壓力Pwr按式(2)計算:

Pwr=γwH

(2)

式中:γw為水的重度,取9.8kN/m3;H為計算點的作用水頭。

壩體泥沙壓力Psk按照式(3)計算:

(3)

式中:γsb為淤沙容重,kN/m3;hs為堆積厚度,m;φs為內摩擦角,(°)。

揚壓力按照《水工建筑物荷載設計規范》(SL 744-2016)中的規定計算,具體見圖2。圖2中,H為計算點的高程。

圖2 壩體揚壓力計算示意圖

考慮到該壩體的實際使用情況,設置3種靜力分析工況。工況一:正常蓄水位400.00m;工況二:設計洪水位402.10m;工況三:校核洪水位404.61m。地應力場會對大壩應變帶來較大的影響,因此在靜力分析中添加初始地應力場[19]。

地應力在ABAQUS中有3種定義方式:第一種是在添加邊界條件和荷載的模型上進行一次計算,然后將計算出的應力導入電腦中,再將其以表格形式輸出到模型的關鍵字位置[20]。第二種方法是直接使用軟件中的地應力模塊布置地應力[21]。第三種方法是使用軟件自帶功能定義初始應力場[22]。其中,第一種方法的誤差較大,第三種方法需要知道具體的邊界條件,而考慮到大壩被看作線彈性材料,本次研究選擇第二種方法構建地應力較為合理。

1.3 碾壓混凝土重力壩開裂模型建立

由于結構裂縫對于碾壓混凝土重力壩的運營安全具有重要影響,因此本研究以選定案例為研究對象,使用ABAQUS軟件,建立4種擴展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)裂紋擴展模型,用于分析在不同超載系數情況下常規混凝土重力壩與各種碾壓層厚度的碾壓混凝土重力壩的裂紋擴展規律。目前,常見的校核大壩穩定性的方法有超載法、強度儲備法、剪力比例法。本次研究選擇最為符合研究對象的超載法輔助開展開裂分析。

為了分析RCC重力壩碾壓層厚與大壩裂紋關系,以及對比RCC重力壩與常規混凝土重力壩裂紋擴展規律并尋找保護措施的目的,在本次裂紋模擬實驗中,分別建立碾壓層厚度為30、40、50cm的RCC重力壩和常規混凝土重力壩開裂模型。開裂模型使用有限元軟件中的四節點平面應變積分單元功能構建,此類有限元模型中的網格劃分方法與靜力模型的一致,不再贅述。

重力壩整體將會在材料強度最弱的地方開裂,因此將RCC重力壩的裂紋布置在材料強度較低的壩踵RCC碾壓層間附近較為合理。重力壩方案的裂紋布置見圖3。觀察圖3可知,為了更好地對比各方案的開裂情況,各壩體的預裂紋均設置在壩踵的相同位置。另外,壩體的材料參數也與靜力分析模型一致。

圖3 重力壩裂紋布置方案圖

各重力壩模型均使用最不利的校核洪水位開展計算,計算涉及的荷載有基巖自重、壩體自重、壩體上下游面水壓、淤沙壓力、揚壓力、地基頂部水壓。根據以往實驗經驗,將開裂模型中的超載系數設置為起點1.00、終點3.00、步長0.25的9種數值。

2 碾壓混凝土及裂縫對碾壓混凝土重力壩的安全性影響分析

2.1RCC重力壩有限元模型應力變化情況分析

按照上述方案設計靜力條件下的重力壩有限元模型后,計算各工況下的模型應力和應變數據。但各種靜力模型的工況下,重力壩的應力、位移分布情況基本相同,這里僅選出最具代表性的設計洪水位工況數據進行分析。在選定工況下,統計各有限元模型的第一主應力σ1、第二主應力σ2、第三主應力σ3、上下游方向應力σx、大壩豎向應力σy、大壩軸向應力σz、大壩剪應力σxy的最值,見表2。

表2 設計洪水位工況下各模型的應力數據統計結果

結合表2和ABAQUS計算出的云圖(因篇幅所限,省略)分析發現,各有限元模型的各部位應力水平均低于材料的抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度,表明重力壩不會產生抗壓、抗拉、抗剪破壞。但碾壓混凝土重力壩的壩踵上墊層與相鄰墊層之間存在局部的拉應力集中區域,其最大拉應力達到1.154MPa,與該處的抗拉強度1.200MPa最為接近。若水位繼續上升,壩體產生結構裂縫,會首先出現在此處。因此,后續對壩踵處出現裂紋情況進行有限元模型模擬計算,分析這種情況下裂紋的擴展情況和對壩體安全性的影響。

2.2超載條件下RCC重力壩有限元模型裂紋分析

通過ABAQUS軟件分析,獲得各種超載系數下的裂紋深度、各方向應力、結構位移數據。但因為超載方案有9種,且在相同結構中裂紋擴展規律相同,這里僅對相對具有代表性的超載工況,即超載系數為2.50時的各大壩開裂模型進行分析,計算得到數據見表3。分析表3和裂紋擴展圖可知(因篇幅所限,省略),當超載系數為2.50時,各重力壩裂紋擴展有限元模型的裂紋發展規律均為從壩踵處斜向下擴展到地基,同時若裂紋在豎直方向擴展到一定程度后,會變為向下游方向擴展。而且在這種情況下,壩趾的最大壓應力為24.1MPa,大于該部位的抗壓強度,即壩趾部位也會發生受壓破壞,并導致壩頂位移上升32cm左右。另外,隨著碾壓層厚度的增加,裂紋的垂直方向擴展長度有小幅度縮小,但擴展長度小于常態混凝土重力壩,裂紋的的水平方向擴展長度也存在小幅度縮小,但數值略高于常態混凝土重力壩。

表3 超載系數為2.50時的裂紋擴展有限元模型數據

針對不同超載系數方案下的各模型裂紋擴展深度進行分析,重力壩裂紋在垂直方向上的擴展深度統計數據見圖4。觀察圖4可知,當超載系數相同時,碾壓層厚度越大,裂紋垂直向擴展深度越小,且均低于常態混凝土重力壩模型。當超載系數大于2.00后,兩類重力壩的裂紋垂直向擴展深度差異較小。隨著超載系數的增加,各模型裂紋的垂直向擴展深度呈先快速增長后趨于平穩的發展規律,當超載系數達到2.50時,裂紋的垂直向擴展深度幾乎達到最大值。當各碾壓混凝土重力壩在超載系數達到2.75后,裂紋的垂直向擴展深度均存在一定程度減小,表明超載系數為2.50左右時,壩趾壓應力與材料抗壓強度最為接近,此時重力壩很可能要發生整體破壞,并使裂紋向順河向發展。

圖4 各超頻系數方案下大壩有限元模型的裂紋垂直方向擴展深度統計

針對不同超載系數方案下的各模型重力壩裂紋在順河方向上的擴展深度進行分析,統計數據見圖5。觀察圖5可知,當超載系數相同時,碾壓層厚度越大,裂紋順河向擴展深度越小,但減少幅度輕微,且均低于常態混凝土重力壩模型。但超載系數大于2.25后,RCC重力壩順河向裂縫擴展深度更大。隨著超載系數的增加,各模型裂紋的順河向擴展深度呈快速增長的發展規律,且當超載系數大于2.25后,增長速度逐漸加快,表明此時大壩的結構應力已接近對應強度,導致裂紋順河向擴展速度快速加快,隨后大壩將出現整體破壞。

圖5 各超頻系數方案下大壩有限元模型的裂紋順河方向擴展深度統計

3 結 論

重力壩有限元模型分析結果顯示,各模型各部位應力均低于材料抗壓、抗拉、抗剪強度,表明重力壩不會產生受力破壞,但壩踵局部應力較高。隨著超載系數增加,裂紋垂直向擴展深度呈先快速增長后趨于平穩的發展規律,超載系數達到2.50時幾乎達到最大值。表明此時壩趾壓應力與抗壓強度最為接近,將要發生整體破壞。當超載系數大于2.25后,順河向裂紋擴展深度增長加快,此時大壩的結構應力已接近對應強度。由此可見,大壩裂紋具有破壞的突然性。在實際施工中,可通過增加碾壓層厚度、加強裂縫檢測和加固補強等方式,提高RCC重力壩的安全性。