面板堆石壩面板應力分析及抗擠壓破壞措施

摘要：混凝土面板堆石壩在水利工程中得到廣泛應用，筆者在本文中對面板應力的分布情況及產生擠壓的原因做了分析，并用接觸力學方法模擬了堆石體與混凝土面板間的接觸丙烯，并利用假設應變單元，消除了由于彎曲變形而導致的面板單元剪切自鎖，降低了面板的撓度及應力數值計算誤差。文章結合實例對上述問題進行了分析。

關鍵詞：面板堆石壩;應力分布;擠壓;措施

面板堆石壩大多可就地取材，利用工程開挖石料作為堆石料，降低了工程的投資，是一種比較經濟和安全的壩型。但是隨著其應用的增加，也出現了不少的問題，比如堆石壩面板發生開裂，對大壩表面的防護體系造成了嚴重的影響，出現堆石體不均勻下降、抗剪能力下降等問題^[1]。本文結合某已建面板堆石壩，分析了面板結構抗裂仿真分析。

一、工程概況

我縣某中型水庫工程壩頂高程為1284.6m，壩頂寬度8m，最大壩高為82.6m，上游、下游壩坡均為1：1.4。壩體填筑分5個區域，分別為主堆石區、次堆石區、下游堆石區和墊層區，堆石料源為石料場開采及建筑物開挖料。趾板為0.5m的等厚趾板，寬度分為4 m、5m、6m，面板厚度0.3～0.56m，趾板與面板砼標號C25，抗滲標號W8，抗凍標號F100。根據既定方案，工程期限為2年，為最大限度節省工期，大壩堆石體的填筑為一次完成。為了按時完整進度，需要遵循安全渡汛及確保填筑質量為原則，壩體填筑完成并間隙一個月后方開始澆筑混凝土面板。

該流域年平均氣溫7℃～16℃，1月份氣溫2℃～5℃，7月份氣溫23℃～29℃，極端最高、最低氣溫分別為 37.4℃、-9.8℃。流域內的濕度平均為78%～82%，其中10～12月份的濕度最高，在80%～84%之間。

二、應力分布計算方法及條件

采用接觸力學分析方法，對面板與堆石體自檢的接觸特性進行模擬，其中，面板為獨立可變性接觸體，可承受一定的彎矩作用，在描述彎曲時，可能出現較大的誤差，因此采用架設應變方法消除，且無剪應變，計算式如下^[2]：

式中，Ke為一點積分剛度，Ke^stab為秩2的穩定剛度。

在本文中，筆者主要是分析各種因素對面板盈利的影響及工程措施的作用，因此描述堆石體采用鄧肯E-B模型。參數見表1。

表1 E-B材料參數值表

名稱

Pd（g/m3）

K

n

Rf

Kb

m

主堆石

2.15

1100

0.34

0.82

600

0.20

次堆石

2.15

860

0.34

0.80

500

0.10

下游堆石

2.15

1200

0.34

0.81

600

0.20

墊層料

2.18

1200

0.44

0.80

650

0.20

混凝土澆筑，自面板前趾板開始，采用滑模法，速度為3m/h，不間斷澆筑。混凝土澆筑與入倉溫度相同，詳見圖2。

圖2" 混凝土面板絕熱溫升圖

經計算，對面板撓度與應力影響最大的因素為堆石上游的變形差，比前期堆石網格變形程度放大了25倍。由于面板上部的面板會產生比較大的撓度變化，提示該處面板上表面可產生一定的拉應力。而計算結果顯示，該處的拉應力，最大值為2MPa^[3]。因此，堆石填筑時，在堆石層數不斷增加的情況下，面板表面張力會逐漸增加，二層填筑時的拉應力為1MPa。

在完成堆石填筑后，間隔30d進行面板澆筑，結果顯示，變形差僅為-0.1m。，未產生較大的應力與彎曲變形，拉應力為0.4MPa。

由于本工程年內大氣濕度較大，旱季長期不降雨時，可造成面板產生較大干縮應力：3d不下雨，拉應力為0.2MPa;7d內不降雨，拉應力可達0.5MPa;連續30d無降雨，表面拉應力為1.4MPa。由此可知，混凝土干縮影響程度雖然很小，但是表面拉力比較大。經分析，該工程彎曲應力場、溫度應力場近似“/”型分布，增加了面板開裂的可能性。

三、抗擠壓破壞的措施

面板如果發生開裂，則處理需要投入大量的人力物力，且處理的效果也可能不理想，所以需要根據面板開裂產生的機理，制定有效的對策，改善面板應力分布，減少面板發生裂縫的幾率。

• 優化施工方案

應力數值計算結果、面板撓度變形結果說明，在受拉區域內，面板集中在上部，所以可適當降低面板上升的高度，改善面板應力狀況^[4]。面板最大拉應力下降，將原計劃的應力值3.8MPa降至2.8MPa。

• 推遲方案

利用增大面板與堆石體高程差的方法，解決面板拉應力的效果仍舊不理想，而且又要考慮工期，所以可將面板的澆筑時間盡量往后推遲，以降低面板的應力^[5]。由計算結果可知，如果工程的工期等施工條件許可，可通過推遲澆筑面板的方式消除面板的拉應力。

• 保溫板的保溫保濕措施

經驗表明，面板表面具有3cm的聚氨酯保溫板，則在遭遇寒潮期時，面板混凝土內外溫差的不超過2℃，而在寒潮期間，面板表面沿坡壩方向的拉應力值僅僅為0.2MPa。同時，為了保證面板的保溫保濕效果，當面板表面存在1mm厚的聚氨酯時，則可控制超過90%以上混凝土的濕度，也就大幅降低了面板表面的干縮應力。

結語：

筆者在本文中，結合某工程實際，對面板應力分布情況及產生應力的原因進行了系統的分析。在分析中，利用了接觸力學分析方法，以及假設應力單元，從而使得面板撓度與彎曲應力計算結果的可信度增加。根據濕度、變形及溫度的結果，得出遭遇寒潮后的溫度、濕度應力場分布趨勢相似，兩者疊加后，面板易出現裂縫。為了降低面板裂縫的發生率，提高其耐久性，主要的工程措施為優化施工方案、推遲工期和采取有效的保溫保濕措施等。實際應用表明，這些工程措施的效果理想，值得在類似工程中推廣應用。

參考文獻：

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[5]沈婷，李國英.超高面板堆石壩混凝土面板應力狀態影響因素分析[J].巖土工程學報，2010，09：1345-1349.