碾壓混凝土拱壩誘導縫的作用探討

【摘要】碾壓混凝土筑壩是近年來被廣泛采用的一種筑壩技術。本文分析了四川瀘州敘永倒流河水庫工程碾壓混凝土拱壩應力場和縫端斷裂參數，以探討釋放應力保護壩體的作用。

【關鍵詞】碾壓混凝土；拱壩；誘導縫

碾壓混凝土筑壩在近年來的筑壩實踐中得到飛速發展，但在許多工程中都不可避免的出現不同程度的溫度裂縫。因拱壩壩體應力狀態的復雜性和碾壓混凝土材料的不均勻性，壩體在溫度應力作用下開裂時，很難確定究竟哪個斷面首先開裂，所以在碾壓混凝土拱壩中設置誘導縫來控制壩體的開裂。

一、誘導縫擴展的斷裂力學分析與計算

1、原理及參數。按線彈性斷裂力學理論，有縫結構在荷載或其他外界因素作用下，裂縫尖端附近區域的應力、應變具有的奇異性。為描述裂縫前緣的應力場和位移場，采用應力強度因子K這一參量，并以K作為裂縫縫端工作性態的指標。根據加載的方式可將裂縫分為I型（張開型）、I型（錯動型）、Ⅲ型（撕開型），相應的應力強度因子分別記為，I型又分為張開型（I型）和壓縮型（-I型）。若裂縫同時存在2種或以上開裂形式，則稱為復合型斷裂問題。

裂縫縫端的應力強度因子可通過數值計算方法得到，如斷裂有限元法等。表明了裂縫的工作性態，是否失穩擴展還必須由K判據確定，即（1）式中為復合應力強度因子，它是的組合值；是同種組合下的臨界值，在復合型中，是一條曲線，在I-Ⅱ-Ⅲ復合型中，是一曲面，曲線和曲面都可由對應于單一的I型、I型、Ⅲ型斷裂臨界值確定。

2、計算模型。拱壩裂縫的開裂問題是一個三維斷裂問題。在垂直于徑向的鉛垂面內，沿誘導縫取一狹長矩形，由誘導板構成一串間斷縫，每條縫長均為誘導板的高，即一個碾壓層的厚度。用斷裂有限元法計算這一串縫在均勻拉應力作用下各縫端的，以及在一沿方向的均勻剪應力作用下各縫端的。同樣，在水平面內沿誘導縫取一狹長壩段，由誘導板構成的間斷縫，縫長與誘導板一樣長。計算在垂直于縫面的拉應力作用下的，以及在沿方向的均勻剪應力作用下的。通過誘導縫不同設置的計算比較，得出誘導縫的作用與誘導縫型式間的關系。如誘導縫每隔一二個澆筑層設置要比每層設置更合理。

二、誘導縫的作用探討

1、工程概況。四川某倒流河水庫工程為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高為60m，型體和結構較為復雜。該壩區夏季酷熱，日夜溫差較大，這種氣候極易引發壩體發生溫度裂縫。大壩采用全碾壓混凝土施工工藝，且為通倉鋪筑，實際澆灌只有330d，還包括了拱壩周圍其他壩體結構的施工，澆筑進度相當快，其誘導縫在施工期間已開裂，開裂位置與設計位置基本相符，即在誘導縫處開裂。采取了水管冷卻的溫控措施，同時壩體也較薄，散熱不是太困難，但總體上仍會引起較大的溫度應力。因此，設計中采用了兩條誘導縫的分縫形式，以防止壩體其他部位的開裂。該壩誘導縫的構造是在壩體中每隔1個澆筑層等間距地平行，埋設強度C20的碾壓混凝土從上游間斷地鋪向下游，造成人工縫隙，尺寸屬于短縫、短間距。誘導縫對斷面削弱1/3，削弱程度較大，開裂日期大約在施工完成后90天左右。

2、誘導縫的合理性及工作性態。為進行此項分析，做了如下幾方面工作：①比較大壩設與不設誘導縫兩種情況下壩體的應力情況，以探討誘導縫對改善壩體應力所起的作用。同時比較設誘導縫時不同削弱程度對壩體應力的影響。②根據溫度應力的計算成果，計算誘導縫縫端應力強度因子，判斷誘導縫是否張開。③比較誘導縫不開裂和部分開裂兩種情況下壩體的應力情況，以探討誘導縫開裂的影響和后果。計算按仿真計算進行，從施工期一直到運行期的若干個月，都按實際情況模擬。對誘導縫的模擬采用誘導縫單元，該單元考慮了斷面削弱的實際情況，對彈性模量作了相應修正。對假定開裂的誘導縫段則用空單元模擬。

1）誘導縫的設置對壩體應力的影響。通過計算分析可見，在施工期中，設與不設誘導縫兩種情況下壩體應力的最大值均為1.6 MPa，發生的時間和位置都沒有變化，應力分布也沒有變化，表明在施工期有無誘導縫并不影響不穩定溫度場及相應的溫度應力。從蓄水期起，設與不設誘導縫兩種情況下壩體應力開始有所差別，到蓄水期末這種差別已較明顯，的最大值已從不設縫的1.45 MPa下降到設縫的1.19 MPa，表明誘導已釋放了應力。此外，應力分布大體相同，但在拱壩端部，尤其是下半部，壓應力有所減少，表明誘導縫的存在調整了壩體應力。蓄水至正常水位并滿庫運行約240d后，這種差別更為明顯。滿庫運行約240d后，壩體應力比蓄水期末更趨于均勻化，高應力區范圍有所減少，這與不設誘導縫的情況大體相同，但更為明顯。可見其主要原因是壩體水化熱散發所致，但也與誘導縫的應力釋放有關。在設誘導縫的情況下，誘導縫部位以外的壩體中仍有拉應力區出現，最大拉應力都發生在左右周邊縫底端附近，因而從此處引發開裂的可能性較大。

另外，對誘導縫在1/6～1/3削弱面積的范圍內幾種削弱程度下的計算表明，不同的削弱程度對誘導縫釋放壩體應力的程度有很小的差別，而對壩體應力分布規律幾乎沒有影響。

2）誘導縫的斷裂力學分析。以拱壩產生最大拉應力時最大拉應力點所處的1697高程拱圈為對象，計算相應的，此時均為負值，表明誘導縫呈壓緊狀態，而此時的明顯增大，最大達到，已超過。但此時裂縫是復合型的，應采用復合型判據，即應采用式（2）進行判斷。此時該縫的將及代入式（2）可得，左邊<右邊，但已很接近。說明此時縫仍未擴展，但已接近臨界狀態。若此時恰逢冷空氣或寒流的影響，則有可能造成誘導縫發生以I型成分為主的擴展。

3）誘導縫的開裂對壩體應力的影響。若左右誘導縫在施工期均已從下部開裂，則在施工期末，由于應力釋放，壩體中的拉應力將大為降低，從1.6 MPa降低至1.0 MPa。若左右誘導縫在施工期末從下部開裂，則在蓄水期末，開裂段的上下端部將出現應力集中，即在已開裂部位的兩端均可能繼續擴展。因上端以上埋有誘導板，仍是削弱的斷面，故向上擴展很可能仍在誘導縫斷面內。但在下端以下，因未設誘導縫，故向下擴展必將進入壩體，引起壩體開裂。

三、結語

近年來，隨著建壩數量的增加和規模的日益龐大，碾壓混凝土拱壩帶來的溫度應力問題更加復雜，增加出現裂縫的可能。因此，誘導縫作為一種結構措施在許多工程中都有所應用，并收到了良好的應力釋放效果。

參考文獻：

[1]馬黔.碾壓混凝土拱壩誘導縫研究[J].水利發電，2016.