接觸面特性對面板堆石壩應力變形的影響性研究

李 斌，劉雙華，楊昕光，孟憲磊，王艷麗

（1.國網新源河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北省武漢市 430010）

0 引言

在抽水蓄能電站中，一般采用施工方便、造價低廉、運行可靠的混凝土面板堆石壩作為擋水建筑物。由于混凝土面板與墊層料模量相差較大，這種材料特性的差異使得在兩者交界面形成了一定厚度、不同于一般土體的區域，稱之為接觸面。在壩體填筑、蓄水或地震過程中，由于面板與墊層的接觸作用，兩者之間容易出現剪切滑動或者脫開，引起面板發生擠壓破壞或脫空現象[1，2]。因此，接觸面力學特性對面板堆石壩的安全性均存在重要影響。

鑒于接觸面特性對結構物的受力變形有重要影響，合理模擬土與結構間的受力和變形是十分重要的。通過對接觸面力學性質試驗成果的分析，研究者們提出了許多本構模型來模擬接觸面的力學特性[3-7]，如彈性非線性模型、彈塑性模型及損失模型等。目前，Clough和Duncan提出的雙曲線接觸面本構模型[3]由于其簡單方便、經驗豐富等優點仍是應用最為廣泛的模型。張丙印等[8]采用Clough和Duncan的接觸面雙曲線本構模型，分別將混凝土面板和堆石體當作獨立的可變形接觸體，并研究了高面板堆石壩面板脫空問題。張嘎和張建民[9]基于接觸面彈塑性損傷模型對面板堆石壩應力變形特性進行了研究，表明所建立的損傷模型能夠較好地描述粗粒土與結構接觸面的靜動力學特性。岑威鈞和李星[10]對混凝土面板堆石壩數值分析中的接觸面模型進行了較為全面的總結，并評析了各種模型的優缺點。劉京茂等[11，12]建立了一種可考慮三維效應以及剪脹（縮）等特性的廣義塑性接觸面模型，并應用于面板堆石壩的靜、動力有限元分析中。

在混凝土面板澆筑前，通常在墊層料外表面噴涂乳化瀝青，以減小擠壓邊墻與混凝土面板之間的約束作用及減少面板裂縫的發生。乳化瀝青的存在勢必會影響接觸界面的力學特性，使得界面兩側材料的荷載分擔比例發生變化。然而，目前對噴涂乳化瀝青前后接觸面的力學特性及乳化瀝青對減小接觸面摩擦力的作用程度研究較少，有必要研究噴涂乳化瀝青前后的力學特性并分析接觸面力學特性對面板堆石壩應力變形的影響。本文在前人研究基礎之上，依托某抽水蓄能電站工程，根據接觸面剪切特性試驗成果，采用數值分析方法研究了噴涂乳化瀝青前后接觸面力學特性對面板堆石壩應力變形的影響，以期為該類型混凝土面板堆石壩的設計、施工與運行提供參考和依據。

1 工程概況

某抽水蓄能電站規劃裝機規模3600MW，分兩期建設，每期裝機容量1800MW，具有周調節性能。電站樞紐由上水庫、下水庫、水道系統和地下廠房系統等部分組成。上水庫擋水建筑物采用鋼筋混凝土面板堆石壩，大壩最大壩高120.3m，壩頂高程1510.3m，軸線長度556.0m，上、下游壩坡均采用1：1.4，上水庫正常蓄水位1505.00m，死水位1460.00m，壩體填筑材料選用上水庫進/出水口開挖石料，料場儲量豐富，可滿足工程要求。上水庫面板堆石壩典型剖面圖見圖1。

2 計算模型與參數

圖1 上水庫面板堆石壩典型剖面圖Fig.1 Diagram for CFRD of upper reservoir

根據大壩設計剖面圖建立三維有限元計算模型，采用8節點六面體單元或者6節點五面體單元進行網格剖分，局部采用4節點四面體單元，并在混凝土與土之間設置接觸面，共剖分50608個單元，有限元計算網格見圖2。

圖2 有限元計算模型Fig.2 Finite element model

壩體和覆蓋層的靜力本構模型采用鄧肯E-B模型[13，14]，計算參數見表1。混凝土面板采用線彈性模型，密度取2.40g/cm3，彈性模量為30GPa，泊松比為0.18。止水縫材料采用鄒德高等提出的接縫簡化模型[15]，具體參數見相關文獻。

表1 E-B模型計算參數Tab.1 Parameters of Duncan-Chang E-B model

根據大壩實際的填筑順序及運行過程進行有限元數值模擬，共分為25級加載步模擬壩體的施工填筑，1個加載步模擬混凝土面板澆筑，4個加載步模擬蓄水，4級加載步模擬蓄水。計算時，每級加載又分5個增量步，并采用中點增量法，以反映材料的非線性特性。

3 接觸面模型與參數

采用ABAQUS中的罰函數接觸算法進行接觸模擬。接觸面切向模型采用Clough和Duncan提出的非線性彈性本構模型[3]；法向模型采用采用ABAQUS中的硬接觸，即兩物體只有在壓緊狀態時才能傳遞法向壓力，若兩物體之間有間隙時不傳遞法向壓力。

Clough和Duncan認為剪應力和相對剪切位移存在雙曲線關系，即剪切應力τ與剪切位移ωs之間存在雙曲線模式即：

式中：a、b為反映接觸面性質的兩個參數。經進一步推導，對于三維問題，兩個切線方向的剛度分別為：

式中：Kyx、Kyx均為切向剪切模量系數；γw為水容重；Pa為大氣壓強；σy為接觸面法向應力；τyx、τyz均為接觸面上的剪應力；Rf、K1、n為接觸面非線性指標，可由試驗求得，分別為破壞比、接觸面彈性模量系數及指數；δ、c0分別是接觸面的界面摩擦角與黏聚力。

采用自主研制的大型低摩阻疊環式雙向靜動剪切試驗機，考慮面板與墊層間噴和不噴涂乳化瀝青情況，進行了混凝土面板與墊層料之間的大型剪切試驗，研究了墊層料與混凝土面板接觸面的力學特性并確定了模型參數，具體見表2。

表2 接觸面模型計算參數Tab.2 Parameters of interface model

由表2可知，涂乳化瀝青（方案2）與不涂乳化瀝青（方案1）相比，由于接觸面相對光滑，其非線性指標K1和界面摩擦角δ均有較大程度降低。

4 大壩應力變形分析

4.1 壩體應力變形分析

表3為面板與墊層料接觸面涂乳化瀝青（方案1）和不涂乳化瀝青（方案2）下壩體在完建期和滿蓄期的應力、變形最大值統計表。

表3 壩體應力及變形最大值計算結果Tab.3 Maximum results of the stress and deformation of dam

當采用方案2，即接觸面不涂乳化瀝青時，壩體在完建期和滿蓄期的應力變形情況均較方案1，即接觸面涂乳化瀝青時無明顯變化，說明接觸面特性對壩體應力變形無明顯影響。當采用方案1時，滿蓄期壩體沉降最大值為0.815m，約占壩高的0.68%，位于大壩中部高程位置。同時，壩體水平向上、下游水平位移最大值分別為0.092m和0.303m。此時大、小主應力最大值分別為2.150MPa和0.692MPa，位于大壩中軸線底部位置。壩體滿蓄期位移等值線見圖3，應力等值線見圖4。

圖3 壩體滿蓄期位移等值線圖Fig.3 Deformation contours of dam in the reservoir filling stage

圖4 壩體滿蓄期應力等值線圖Fig.4 Stress contours of dam in the reservoir filling stage

4.2 面板應力變形分析

表4為方案1和方案2下面板在完建期和滿蓄期的應力、變形最大值統計表。

圖5和圖6為采用方案1時面板在滿蓄時的變形和應力分布等值線云圖。由計算結果可知，當采用方案1時，蓄水后，由于上游水壓力的作用，且面板中間部位所受約束較小，因此使得面板中下部的撓度變形最大，此時面板法向撓度最大值為24.8cm，壩軸向左、右岸水平位移最大值分別為2.3cm和2.6cm。從應力分布來看，滿蓄期面板基本處于受壓狀態。順坡向最大壓應力為4.39MPa，位于面板中下部；拉應力主要分布在其底部及邊緣位置處，最大拉應力為-2.43MPa。面板壩軸向最大壓應力為7.27MPa，出現在其中央部位；最大拉應力為-1.04MPa，出現在其兩側的邊緣位置。

表4 面板應力及變形最大值計算結果Tab.4 Maximum results of the stress and deformation of face slab

圖5 面板蓄水期變形等值線云圖Fig.5 Deformation contours of face slab in the reservoir filling stage

圖6 面板滿蓄期應力等值線云圖Fig.6 Stress contours of face slab in the reservoir filling stage

當采用方案2時，面板變形較方案1幾乎無變化，僅應力較方案1有所改變。此時順坡向壓應力和拉應力最大值分別為4.46MPa和-2.89MPa，較方案1分別增加1.59%和23.50%；壩軸向壓應力和拉應力最大值分別為7.29MPa和-1.19MPa，較方案1分別增加0.28%和14.42%。說明當涂乳化瀝青時，對減小面板拉應力，改善其受力狀態有一定作用。

4.3 止水縫變形

當采用方案1和方案2時，止水縫在滿蓄期的變位最大值統計表如表5所示。

表5 止水縫變位最大值統計表Tab.5 Maximum results of the stress and deformation of sealed joint

由計算結果可知，當采用方案2時，止水縫相對位移較方案1變化不大，說明接觸面特性對止水縫變形幾乎沒有影響。當采用方案1時，在滿蓄工況下垂直縫沉陷、剪切、壓縮和張開的最大位移值分別為5.6mm、9.1mm、5.4mm和13.4mm；周邊縫沉陷、剪切、壓縮和張拉的最大位移值分別為30.1mm、14.3mm、0.2mm和25.1mm，量值均在經驗范圍內。

5 結束語

依托我國某抽水蓄能電站工程，采用數值分析手段，開展了噴涂乳化瀝青前后接觸面力學特性對面板堆石壩應力變形的影響性研究，主要得到以下幾點結論：

（1）與無保護接觸面相比，噴涂乳化瀝青的接觸面非線性指標K1及強度指標均有大幅度降低，乳化瀝青形成了完整的過渡層來隔離墊層料和混凝土面板的直接接觸，并起到很好的阻隔—潤滑效果。

（2）由計算分析可知，墊層料與混凝土面板接觸面力學特性對面板應力存在一定影響，對大壩應力變形及止水縫變形均無明顯影響。當接觸面涂抹乳化瀝青時，面板順河向和壩軸向拉應力有所降低，說明接觸面涂乳化瀝青對減小面板拉應力，改善其受力狀態有一定作用。

（3）在工程實際中，建議在混凝土面板和墊層間涂抹一定厚度的乳化瀝青，可起到減小混凝土拉應力，減少裂縫，改善面板工作環境的作用。