水利施工中碾壓混凝土拱壩誘導縫開裂分析研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.044

摘 要：為了合理的設置誘導縫，保證拱壩施工穩定性，提出水利施工中碾壓混凝土拱壩誘導縫開裂分析研究。建立碾壓混凝土的本構模型，通過本構模型分析混凝土的本構關系，獲得應力和應變之間的關系；在模擬過程中通過薄層實體接縫單元完成誘導縫的計算與模擬；設計了計算條件并設置了分縫方案。在不同方案下對誘導縫的開裂情況展開判斷和分析，獲取混凝土拱壩的應力變化趨勢，以此完成碾壓混凝土拱壩誘導縫的開裂分析。結果表明，誘導縫區域混凝土拱壩應力明顯低于其他區域，應力減小的幅度和與誘導縫距離之間呈反比，區域產生的應力與誘導縫距離越遠越小。

關鍵詞：碾壓混凝土拱壩；本構關系；誘導縫模擬；水利施工；誘導縫開裂分析

中圖分類號：TV642；TQ178

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）02-0167-04

Analysis and research on induced crack cracking of RCC arch dam in water conservancy construction

YUAN Yu

（Power Chinavibroflotation construction engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China）

Abstract：In order to reasonably set the induced joints and ensure the stability of arch dam construction，an analysis and research on induced joint crack cracking of roller compacted concrete arch dams in water conservancy construction was proposed.The constitutive model of roller compacted concrete was established，the constitutive relationship of concrete was analyzed through the constitutive model，and the relationship between stress and strain was obtained.The cracking of the induced joints was judged and analyzed under different schemes，and the stress change trend of the concrete arch dam was obtained，so as to complete the cracking analysis of the induced joints of the RCC arch dam.The analysis results showed that the stress of the concrete arch dam in the induced joint region was significantly lower than that in other regions，and the reduction amplitude of stress reduction was inversely proportional to the distance from the induced joint，the stress generated in the region decreased as the distance from the induced joint increased.

Key words：RCC arch dam; constitutive relationship; simulation of induced seam; water conservancy construction; analysis of induced crac

混凝土澆筑是水利工程中的重要步驟，在澆筑過程中混凝土內部會出現水化熱現象^[1]，混凝土壩體在短時間內無法將水化熱排除體外，隨著澆筑階段的進行，壩體溫度逐漸降低，在此條件下再加之約束作用，混凝土壩體容易產生溫度裂縫^[2]，因此在水利施工過程中需要將溫控防裂和溫度裂縫問題作為重點。如設計了誘導縫的軸向拉伸實驗，測試碾壓混凝土誘導縫在不同布置形式下的強度變化情況^[3]。通過有限元方法建立混凝土拱壩的數值模型，利用模型分析模擬施工過程中溫度場、應力以及應變的變化情況，以此完成誘導縫的開裂分析^[4]。基于此，為明確誘導縫在碾壓混凝土拱壩中的開裂情況，提出水利施工中的碾壓混凝土拱壩誘導縫開裂分析研究。

1"混凝土應力-應變關系

混凝土的非線性力學性能主要表現在2個方面：

（1）微裂縫在內部的擴張，在擴展過程中，混凝土的相關力學性能發生一定的變化，如剛度降低、應變軟化等;

（2）混凝土的塑性流動，塑性流動造成的塑性變形是無法恢復的，在高測壓條件下，碾壓混凝土與其他材料相比具有良好的延性。

1.1"本構模型

在該狀態下，通過下式分解混凝土的應變張量（ε_ij）：

ε_ij=［εij］₊+［εij］_-（1）

式中：［ε_ij］_-代表壓主應變；［ε_ij］₊代表拉主應變。以上2個應變在混凝土中產生的主應力值分別為［σ_ij］_-、［σ_ij］₊，其表達式：

式中：G^t為拉空間對應的主應力應變關系函數；G^c為壓空間對應的主應力應變函數。

根據上述分析，計算混凝土的總應力（σ_ij）：

σ_ij=［σ_ij］₊+［σ_ij］_-（3）

1.2"有效/名義應力-應變關系

2"誘導縫開裂分析

2.1"計算條件與分縫方案

研究的壩址地區的氣溫變化幅度較小^[8]，全年的平均溫度為19 ℃，夏季最高氣溫為26 ℃，冬季最低氣溫為9 ℃，該地區的全年月平均氣溫如表1所示。

碾壓混凝土拱壩的相關力學參數如表2所示^[9-10]。

劃分碾壓混凝土，獲得多個澆筑層，按照從下到上的順序劃分壩體單元的荷載步驟，按照劃分的順序依次激活壩體單元，完成混凝土拱壩澆筑工程的模擬，對碾壓混凝土拱壩的應力場和溫度場展開分析。

根據誘導縫設置經驗^[11]、拱壩溫度應力分布規律^[12-13]、施工安排、誘導縫設置原則以及拱壩的結構，在研究過程中制定了2個方案：

方案1，在碾壓混凝土拱壩中設置如下2條誘導縫（見圖1）；方案2，在碾壓混凝土拱壩中設置如下3條誘導縫（見圖2）。

對上述方案展開溫度荷載分析，并將分析結果與碾壓混凝土拱壩不設置誘導縫方案的分析結果展開對比^[14-15]，根據對比結果分析誘導縫的設置效果。

2.2"分析結果

2.2.1"誘導縫開裂分析

分析碾壓混凝土拱壩在2個方案下的誘導縫應力變化情況，結果如表3所示。

由表3可知，方案1中，誘導縫在碾壓混凝土拱壩結構中的應力最大值高于等效抗拉強度，因此處于開裂狀態。方案2中，*2誘導縫的應力值相對較大，但2個誘導縫在碾壓混凝土拱壩中同樣處于開裂狀態，*2誘導縫處存在部分區域的應力與等效抗拉強度接近，主要是因為該碾壓混凝土拱壩落座于狹窄的河谷內，兩岸拱座處屬于高拉應力區，拱冠處產生的應力較小。通過上述分析可知，當拉應力較大時，該區域中存在的誘導縫會出現開裂現象。

2.2.2"壩體應力受誘導縫的影響

設縫方案與無縫方案下碾壓混凝土拱壩的高拉應力區分布情況基本相同，但在混凝土拱壩中設置誘導縫后，壩體的應力最大值有所減小。

壩體在無縫方案中產生的主拉應力最大，其次是方案1，在方案2中產生的主拉應力最大值最小。由此可知，將誘導縫設置在碾壓混凝土壩體后，壩體不會出現開裂現象?；炷凉皦卧诜桨?和方案2下的最大拉應力相差較小，從施工角度對比2種方案可知，方案1優于方案2。

根據上述分析，繪制碾壓混凝土拱壩上游壩面的主拉應力包絡圖，如圖3所示。

由圖3可知，設置誘導縫的混凝土壩體對應的應力遠低于無縫的混凝土壩體應力，說明壩體內的應力通過誘導縫得到了釋放。

對比無縫方案和方案1下碾壓混凝土拱壩的應力變化情況，如圖4所示。

由圖4可知，將誘導縫設置在混凝土壩體不同部位處均會產生不同的應力影響效果?；炷翂误w的上游面和下游面在誘導縫開裂的狀態下最大主拉應力值顯著降低，其中與誘導縫距離較近的區域降低的最大拉應力遠高于與誘導縫距離較遠的區域。

無縫方案和方案1的1/3壩高處水平剖面應力變化情況如圖5所示。

由圖5可知，在誘導縫區域混凝土拱壩應力明顯低于其他區域，應力減小的幅度和與誘導縫距離之間呈反比，區域產生的應力與誘導縫距離越遠越小。與誘導縫距離較大時，中面和上游面的應力變化情況差異較小，表明誘導縫在碾壓混凝土拱壩中的作用是有距離限制的，下游面應力的下降幅度較大。通過上述分析可知，壩體中的誘導縫之間應該存在較大距離，可以優化誘導縫對壩體表面高拉應力的作用效果。

3"結語

為了提高施工速度、簡化施工過程，工程師在設計碾壓混凝土拱壩時都盡量不采用永久性橫縫。受水熱化溫差和外界氣溫變化的影響，施工過程中混凝土拱壩表面容易出現裂縫。為了控制裂縫在混凝土表面的位置，需要設置誘導縫，研究對誘導縫的開裂情況展開分析。根據分析結果可知，不同的誘導縫方案下碾壓混凝土拱壩開裂情況不同，其中，下游面的應力下降幅度最大，受誘導縫距離影響加大。無縫方案相較于有縫方案而言其應力水平更高。綜合上述分析和方案設計結果，研究可為誘導縫在混凝土拱壩中的設置提供相關依據。

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收稿日期：2023-09-05；修回日期：2023-12-08

作者簡介：袁"宇（1984-），女，工程師，研究方向：水利工程；E-mail：zybdkb200710@163.com。

引文格式：袁"宇.水利施工中碾壓混凝土拱壩誘導縫開裂分析研究[J].粘接，2024，51（2）：167-170.