混凝土面板堆石壩面板變形特性研究

楊讀尚

(甘肅華研水電咨詢有限公司，甘肅蘭州 730000)

混凝土面板堆石壩面板變形特性研究

楊讀尚

(甘肅華研水電咨詢有限公司，甘肅蘭州 730000)

隨著時代的進步與科技的大力發(fā)展，對于以混凝土以及混凝土為主要組成部分的物質(zhì)都提出了更高的質(zhì)量要求。其中混凝土面板堆石壩面板也不例外。為了獲得混凝土面板堆石壩長期力學(xué)行為的定量分析成果，當前最為先進同時也證明是最為有效的方式就是運用ABAQUS有限元數(shù)值模擬抽水蓄能電站混凝土面板堆石壩。鑒于此，本文將會首先研究混凝土面板變形的幾大重要影響因素，然后再向大家介紹一下混凝土面板變形的相關(guān)特性，最終闡述混凝土面板結(jié)構(gòu)性裂縫（這也是較為常見的）機理分析。

混凝土面板堆石壩 長期性狀 工藝改進 預(yù)測分析

一、哪些因素直接影響混凝土面板的變形

總的來說，包括以下幾大影響因素。

1、混凝土力學(xué)特性與載荷。

通常情況下，混凝土面板應(yīng)力不僅僅受到混凝土力學(xué)性能、自身結(jié)構(gòu)以及壩高的影響（影響程度根據(jù)實際情況而定），與此同時還會受到地質(zhì)條件、河谷形態(tài)、氣候等影響。通過以往大量的實踐結(jié)果表明，我們還不能忽視施工因素在其中的重大影響作用，比方說面板混凝土施工質(zhì)量以及養(yǎng)護、水庫蓄水與泄水等。混凝土面板作為壩體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，造成面板結(jié)構(gòu)受力的因素主要包括以下三種類型：（1）外載荷作用帶來的應(yīng)力。作用于面板上的水載荷或者由地震作用等對面板帶來的動應(yīng)力以及靜應(yīng)力；（2）混凝土變形帶來的應(yīng)力。主要是因為溫度以及濕度變化，當變形受到約束后（受約束程度不同）就會自然而然的產(chǎn)生應(yīng)力；（3）材料內(nèi)部物理作用或者化學(xué)作用引起的應(yīng)力。事實證明，混凝土中的堿骨料反應(yīng)、混凝土遭受凍融循環(huán)作用以及鋼筋銹蝕等因素都會對混凝土產(chǎn)生膨脹作用。總的來說，混凝土面板開裂問題其實就是面板中的抵抗力與破壞力之間的較量，與此同時還會受到包括環(huán)境條件、邊界條件等因素不同程度的影響，比方說徐變引起的應(yīng)力松弛、保溫保濕條件以及面板自身的極限拉伸、抗拉強度等都會在一定程度上對面板裂縫產(chǎn)生重要影響。除此之外，在周邊縫位置，水載荷作用引起混凝土面板的變形會造成接縫張開同時產(chǎn)生剪切變形。周邊縫的變形與面板變形、堆石體的變形、壩高等密切相關(guān)，這一點同樣需要受到相關(guān)工作人員的密切注意才行。

2、堆石體變形對面板變形造成的影響。

之前我們已經(jīng)了解到，堆石體的墊層作為混凝土面板的基礎(chǔ)，面板的變形不僅包括自身因素（溫度應(yīng)力、干縮、自重等）引發(fā)及水壓作用產(chǎn)生，與此同時還受到堆石體變形大小不同程度的影響。通過以往大量的實踐結(jié)果表明，在水壓力作用下面板的變形很多時候會取決于堆石體的變形程度，堆石體的應(yīng)力變形特性可以決定面板的應(yīng)力變形狀況。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，在堆石體分期填筑的期間，支撐面板的舊填堆石體在新填堆石體上部位置的自重作用下，將會產(chǎn)生新的壓縮和水平方向的位移。另外一點值得大家注意的是，由于面板剛度相對而言比較大，面板變形與墊層料的變形無法相互協(xié)調(diào)一致，因此會出現(xiàn)頂部脫開的情況發(fā)生，也就是我們常常所說的面板與墊層料脫空。如果一旦發(fā)生這種情況，通常會帶來以下三種影響。首先是脫空位置的面板會立即失去墊層料的有效支撐，面板的工作條件以及受力狀態(tài)發(fā)生一定程度的改變，同時會大大影響到應(yīng)力變形與整體協(xié)調(diào)情況。其次是過大的面板脫空超過面板承受極限的情況下，面板會產(chǎn)生裂縫，一旦裂縫產(chǎn)生之后會使面板的受力形態(tài)發(fā)生根本性的改變。最后是受到水壓作用的時候，脫空位置的面板被壓向墊層料，在面板與墊層料緊緊貼在一起的時候面板會同時受到水壓和墊層反力的作用。

二、混凝土面板變形的相關(guān)特性

1、面板沿著順坡向變形特性的分析。

相關(guān)研究者通過對各大水電站混凝土面板堆石壩面板的數(shù)值計算分析發(fā)現(xiàn)，面板在施工期的變形趨勢為：面板的中下部位置由于受到堆石反向水壓力作用，面板上部會在一定程度上朝著壩體內(nèi)側(cè)偏移。等到水庫蓄水后，面板在水壓力的作用下向下游變形，底部面板通常會朝著下游側(cè)有一定的位移。除此之外，隨著堆石體的變形（無論變形的程度怎樣），面板在施工期中下部會朝著上游方向位移，而上部的位移則是向下游的，蓄水后在水壓力作用下，面板與壩體都是朝著下游方向位移。與此同時，施工期三分之一壩高以下由于受到兩岸壩肩較大程度的約束，外加反向水壓力對面板的強大作用，在很多時候造成水壓力對面板的作用，從而使得面板中部朝上突出。蓄水后，在較高的水頭壓力作用下，面板中部朝向下游變形，兩側(cè)面板由于受到壩肩的約束，局部會有向上游變形的反翹現(xiàn)象。另外，我們?nèi)绻麖拿姘宓氖芰μ攸c上來看，施工期面板上游側(cè)并沒有外載荷的作用，底部面板內(nèi)側(cè)會由于受到堆石體沉降變形以及水平方向位移的影響而承受一定量的水平推力（向上游方向的）。總而言之，施工期面板所受到的載荷相對而言比較小，其應(yīng)力也會比較小。在蓄水期面板主要承受來自水載荷的壓力，由于受到坡岸地形約束，蓄水期面板中部主要呈現(xiàn)雙向受力受壓狀態(tài)，而岸坡鄰近會承受拉應(yīng)力。

2、分析面板沿著壩軸變形的特性。

事實證明，隨著面板堆石體壩高的不斷增加，壩體的應(yīng)力和變形以及大壩的運行狀態(tài)會產(chǎn)生一些新的特性。而增加壩高會導(dǎo)致堆石體應(yīng)力水平的不斷增加以及面板長度的增加。除此之外，由于堆石材料高度的非線性特性，在高應(yīng)力條件下的應(yīng)力變形特性將會對壩體和面板的變形起到極為重要的影響作用。與此同時，增加壩高之后，不僅僅會使混凝土面板在順著河谷方向上增加撓度變形，更為重要的是使得混凝土面板在沿著壩軸線方向上出現(xiàn)更大的擠壓應(yīng)力。由于受到岸坡地形的作用，河床兩側(cè)岸坡位置的堆石體向河谷的中心方向發(fā)生位移。面板擠壓不僅僅與壩高以及河谷形態(tài)密切相關(guān)，而且還與壩體變形、面板厚度等一系列綜合因素相關(guān)。

3、混凝土面板結(jié)構(gòu)性裂縫的機理分析。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，不管是在施工期或者在蓄水期，面板的變形必然會呈現(xiàn)出不同程度的不均勻性（無論是沿壩軸線或者沿順河谷方向）。另外，由于面板澆筑于堆石體的上部位置，面板無法自由變形。如果面板在堆石體上發(fā)生沿面板法向位移的情況下，我們可以將堆石體面板的約束看成為彈性約束；如果堆石體與面板之間產(chǎn)生滑移變形時，堆石體對于面板的約束可以被看成是摩擦約束。事實證明，這兩種約束都可以導(dǎo)致面板產(chǎn)生拉應(yīng)力，而造成面板出現(xiàn)裂縫最為主要的原因就是由于面板內(nèi)部的拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強度。我們究其原因，在岸坡地形的作用下，壩體堆石和面板沿著壩軸方向的變形趨勢都是從兩岸坡朝向河床中央，通過這種方式將會對河床中部面板形成一定程度的擠壓。當壩體和面板的變形超過臨界值的時候，這種擠壓作用將會直接導(dǎo)致河床中部面板塊與塊之間比較大的壓應(yīng)力，如果壓應(yīng)力超出混凝土的抗壓強度，面板邊緣便會產(chǎn)生壓裂破損；另一方面，水庫蓄水后，在水荷載作用下，面板會向下游側(cè)產(chǎn)生凹向壩內(nèi)的撓曲變形，在此狀態(tài)下，面板的中部沿壩坡方向的應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，而頂部和底部則可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。但是，當壩體出現(xiàn)較大變形時，面板的拉應(yīng)力區(qū)則可能會向面板中部延伸，易造成面板出現(xiàn)較大規(guī)模的拉裂裂縫，這一點應(yīng)引起重視。

三、總結(jié)語

綜上所述，隨著科技的不斷進步，人們對混凝土面板的質(zhì)量要求越來越高，而混凝土面板堆石壩面板就是其中之一。然而通過上面的闡述我們會很容易的發(fā)現(xiàn)，影響混凝土面板堆石壩面板的因素很多。鑒于此，相關(guān)工作者需要對其具體問題具體分析，仔細的分析面板變形的特性之后再進行針對性的處理，及時而且有效排除面板堆石壩設(shè)計施工的安全隱患，從而打造出一流的精品工程。

[1]李善平，唐夢君，胡海浪.混凝土面板堆石壩面板變形機理研究[D].第一屆堆石壩國際研討會.2014.

[2]劉軍.混凝土面板堆石壩面板變形特性研究[D].水利水電工程：西北農(nóng)林科技大學(xué).2010.

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1007-6344（2015）12-0022-01