面板堆石壩面板應(yīng)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(yīng)用，筆者在本文中對(duì)面板應(yīng)力的分布情況及產(chǎn)生擠壓的原因做了分析，并用接觸力學(xué)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(shè)應(yīng)變單元，消除了由于彎曲變形而導(dǎo)致的面板單元剪切自鎖，降低了面板的撓度及應(yīng)力數(shù)值計(jì)算誤差。文章結(jié)合實(shí)例對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：面板堆石壩;應(yīng)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(jīng)濟(jì)和安全的壩型。但是隨著其應(yīng)用的增加，也出現(xiàn)了不少的問(wèn)題，比如堆石壩面板發(fā)生開裂，對(duì)大壩表面的防護(hù)體系造成了嚴(yán)重的影響，出現(xiàn)堆石體不均勻下降、抗剪能力下降等問(wèn)題^[1]。本文結(jié)合某已建面板堆石壩，分析了面板結(jié)構(gòu)抗裂仿真分析。

一、工程概況

我縣某中型水庫(kù)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(gè)區(qū)域，分別為主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、下游堆石區(qū)和墊層區(qū)，堆石料源為石料場(chǎng)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(biāo)號(hào)C25，抗?jié)B標(biāo)號(hào)W8，抗凍標(biāo)號(hào)F100。根據(jù)既定方案，工程期限為2年，為最大限度節(jié)省工期，大壩堆石體的填筑為一次完成。為了按時(shí)完整進(jìn)度，需要遵循安全渡汛及確保填筑質(zhì)量為原則，壩體填筑完成并間隙一個(gè)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(nèi)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(yīng)力分布計(jì)算方法及條件

采用接觸力學(xué)分析方法，對(duì)面板與堆石體自檢的接觸特性進(jìn)行模擬，其中，面板為獨(dú)立可變性接觸體，可承受一定的彎矩作用，在描述彎曲時(shí)，可能出現(xiàn)較大的誤差，因此采用架設(shè)應(yīng)變方法消除，且無(wú)剪應(yīng)變，計(jì)算式如下^[2]：

式中，Ke為一點(diǎn)積分剛度，Ke^stab為秩2的穩(wěn)定剛度。

在本文中，筆者主要是分析各種因素對(duì)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(shù)見表1。

表1 E-B材料參數(shù)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(cāng)溫度相同，詳見圖2。

圖2" 混凝土面板絕熱溫升圖

經(jīng)計(jì)算，對(duì)面板撓度與應(yīng)力影響最大的因素為堆石上游的變形差，比前期堆石網(wǎng)格變形程度放大了25倍。由于面板上部的面板會(huì)產(chǎn)生比較大的撓度變化，提示該處面板上表面可產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。而計(jì)算結(jié)果顯示，該處的拉應(yīng)力，最大值為2MPa^[3]。因此，堆石填筑時(shí)，在堆石層數(shù)不斷增加的情況下，面板表面張力會(huì)逐漸增加，二層填筑時(shí)的拉應(yīng)力為1MPa。

在完成堆石填筑后，間隔30d進(jìn)行面板澆筑，結(jié)果顯示，變形差僅為-0.1m。，未產(chǎn)生較大的應(yīng)力與彎曲變形，拉應(yīng)力為0.4MPa。

由于本工程年內(nèi)大氣濕度較大，旱季長(zhǎng)期不降雨時(shí)，可造成面板產(chǎn)生較大干縮應(yīng)力：3d不下雨，拉應(yīng)力為0.2MPa;7d內(nèi)不降雨，拉應(yīng)力可達(dá)0.5MPa;連續(xù)30d無(wú)降雨，表面拉應(yīng)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(jīng)分析，該工程彎曲應(yīng)力場(chǎng)、溫度應(yīng)力場(chǎng)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(fā)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(jù)面板開裂產(chǎn)生的機(jī)理，制定有效的對(duì)策，改善面板應(yīng)力分布，減少面板發(fā)生裂縫的幾率。

• 優(yōu)化施工方案

應(yīng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果、面板撓度變形結(jié)果說(shuō)明，在受拉區(qū)域內(nèi)，面板集中在上部，所以可適當(dāng)降低面板上升的高度，改善面板應(yīng)力狀況^[4]。面板最大拉應(yīng)力下降，將原計(jì)劃的應(yīng)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(yīng)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(shí)間盡量往后推遲，以降低面板的應(yīng)力^[5]。由計(jì)算結(jié)果可知，如果工程的工期等施工條件許可，可通過(guò)推遲澆筑面板的方式消除面板的拉應(yīng)力。

• 保溫板的保溫保濕措施

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

結(jié)語(yǔ)：

筆者在本文中，結(jié)合某工程實(shí)際，對(duì)面板應(yīng)力分布情況及產(chǎn)生應(yīng)力的原因進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。在分析中，利用了接觸力學(xué)分析方法，以及假設(shè)應(yīng)力單元，從而使得面板撓度與彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的可信度增加。根據(jù)濕度、變形及溫度的結(jié)果，得出遭遇寒潮后的溫度、濕度應(yīng)力場(chǎng)分布趨勢(shì)相似，兩者疊加后，面板易出現(xiàn)裂縫。為了降低面板裂縫的發(fā)生率，提高其耐久性，主要的工程措施為優(yōu)化施工方案、推遲工期和采取有效的保溫保濕措施等。實(shí)際應(yīng)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(yīng)用。

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