混凝土面板堆石壩面板溫度應力及開裂研究

王震洲，王彥兵，楊 柳

（國網經濟技術研究院有限公司，北京市 102209）

0 引言

混凝土面板堆石壩是一種以堆石為主體結構材料，以混凝土面板作為上游防滲體的土石壩類型。混凝土面板是面板堆石壩的防滲主體，其安全性直接關系到大壩工程能否正常運行。然而，如果設計不當，對結構的不均勻變形或沉降估計不夠充分，以及對環境溫度變化等一系列其他問題對面板的影響認識不夠，則很有可能導致面板防滲體開裂，產生滲漏，對大壩安全造成威脅[1-6]。

雖然目前針對溫度變化對面板應力影響的研究眾多[7-24]，但溫度應力對面板的破壞形式還未有定論，且研究都是在面板已產生裂縫的基礎上進行的。本文則結合某設計中的混凝土面板堆石壩，用實際設計數據對面板變溫荷載進行計算模擬，探討在環境溫度變化下面板有可能的開裂區域，從而為設計提供參考。

1 工程概況

該設計中的工程壩頂高程為783.00m，壩頂寬8.0m，最大壩高80.00m，最大壩底寬232.38m，壩頂長186.60m。壩體自上游至下游依次布置：鋼筋混凝土面板、擠壓邊墻、墊層、過渡層、主堆石區、次堆石區、下游干砌塊石護坡。其上下游壩坡均采用1:1.4。該壩采用0.6m 厚的等厚面板，為C25鋼筋混凝土結構，垂直壓性縫間距為12m，垂直張性縫間距為6m。上游面板周邊設混凝土趾板，與岸坡相連，趾板寬度為6.5m，厚0.6m。該工程典型剖面壩體結構如圖1所示。

圖1 面板堆石壩典型剖面圖Figure 1 Typical section of the concrete face rockfill dam

本文重點討論在壩體已全部填筑完畢，上游水位740m（死水位），下游無水，加外部車輛荷載，再加溫度荷載的情況下面板的應力應變特征。溫度荷載工況統計見表1。

表1 溫度荷載工況統計表Table 1 Temperature load condition statisitics

其中根據溫度荷載的施加情況細分為如表1所示的六種工況。混凝土線性膨脹系數α=1.0×10-5（1/℃）。壩頂路面荷載按17.9kN/m 均布荷載考慮。死水位740m 以下的面板溫度變化取為表面溫度折減一半考慮。

2 計算結果與分析

2.1 變溫荷載作用下的面板應力

如圖2～圖13所示，即為不同變溫荷載下，面板表面主應力分布。

圖2 工況A 面板表面最大主應力（單位：MPa）Figure 2 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition A（unit：MPa）

圖3 工況A 面板表面最小主應力（單位：MPa）Figure 3 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition A（unit：MPa）

圖4 工況B 面板表面最大主應力（單位：MPa）Figure 4 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition B（unit：MPa）

圖5 工況B 面板表面最小主應力（單位：MPa）Figure 5 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition B（unit：MPa）

圖6 工況C 面板表面最大主應力（單位：MPa）Figure 6 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition C（unit：MPa）

圖7 工況C 面板表面最小主應力（單位：MPa）Figure 7 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition C（unit：MPa）

圖8 工況D 面板表面最大主應力（單位：MPa）Figure 8 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition D（unit：MPa）

圖9 工況D 面板表面最小主應力（單位：MPa）Figure 9 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition D（unit：MPa）

圖10 工況E 面板表面最大主應力（單位：MPa）Figure 10 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition E（unit：MPa）

圖11 工況E 面板表面最小主應力（單位：MPa）Figure 11 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition E（unit：MPa）

圖12 工況F 面板表面最大主應力（單位：MPa）Figure 12 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition F（unit：MPa）

圖13 工況F 面板表面最小主應力（單位：MPa）Figure 13 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition F（unit：MPa）

由圖可見，在變溫荷載作用下，面板表面最大和最小主應力分布具有以下特性：

（1）工況A、工況B、工況C 為溫升工況，在這三種工況下，面板表面最大主應力分布規律基本一致。由于在高程740m 死水位處變溫荷載突變，從而應力在該處均有明顯過度。三種工況下面板最大主應力極值都出現在面板中上部，即高程740m 上部不遠處，量值分別為3.6MPa、2.8MPa、2.1MPa。可以看出，面板最大主應力σ1服從由工況C、工況B、工況A 依次增大的趨勢。其中死水位以下增大較小，死水位以上增大明顯，因此可以得出死水位以上面板最大主應力受溫度升高影響比較明顯的結論。

（2）溫升工況A、工況B、工況C 的最小主應力σ3分布規律基本相同，均未出現拉應力。三種工況下最小主應力服從由工況C、工況B、工況A 依次增大的趨勢。σ3極值一般都出現在面板中部740m 高程附近，最大值出現在工況A，約1.2MPa 左右。由此可以看出，溫度升高令面板的最小主應力相應增大。

（3）工況D、工況E、工況F 為溫降工況，在該三種工況下，面板表面最大主應力分布規律基本一致，面板中上部出現拉應力。由于在高程740m 死水位處荷載突變，從而應力在該處發生明顯變化，該水位以上均為拉應力。三種工況下面板σ1最大拉應力極值都出現在面板中上部，即高程760m 附近，量值分別為-1.4MPa、-0.9MPa、-0.7MPa。死水位以下的面板下部應力在三種工況下變化并不明顯。溫降荷載下死水位以上面板出現拉應力，且拉應力分布較為廣泛，拉應力有隨溫降越大而增大的趨勢。

（4）溫降工況D、工況E、工況F 的最小主應力σ3分布規律基本相同，除少數區域外，整塊面板均出現拉應力，且在面板兩翼處拉應力較大。三種工況下σ3拉應力服從由工況F、工況E、工況D 依次增大的趨勢，最大拉應力一般出現在面板中上部的兩翼處，量值分別為-2MPa、-2.8MPa、-4MPa。高程740m 死水位以下面板拉應力在各工況下雖有變化，但變化并不明顯。可見，溫降荷載依然是對死水位以上面板影響比較明顯。

如圖14 和圖15所示，分別給出了各變溫荷載工況下河谷0+078.82m 剖面面板表面節點最大最小主應力沿高程分布規律。

圖14 0+78.82m 剖面變溫荷載面板表面最大主應力沿高程分布圖Figure 14 Distribution of maximum principal stress on the concrete face slab of the 0+78.82m profile

圖15 0+78.82m 剖面變溫荷載面板表面最小主應力沿高程分布圖Figure 15 Distribution of Minimum principal stress on the concrete face slab of the 0+78.82m profile

由圖14 和圖15 可見，溫升和溫降荷載對面板應力的作用效應相反。溫升荷載使面板產生壓應力，且溫升越高，壓應力越明顯。溫降荷載使面板產生拉應力，同樣溫降越大，拉應力越明顯。顯而易見，在高程740m 死水位處應力有一個明顯的突變過程，尤其是溫升工況下的面板最大主應力σ1和溫降工況下的最小主應力σ3在高程740m 處均有顯著變化。

因此，綜上所述，可以得到如下基本結論：環境溫升溫降均會對面板應力產生一定影響，且溫度變化越大影響越明顯。其中環境溫度升高，面板產生壓應力，最大主應力σ1在死水位處發生明顯突變。環境溫度降低，面板產生拉應力，最小主應力σ3在死水位處發生明顯突變。

2.2 面板表面高拉應力區分布

如圖16～圖21所示，為各溫降荷載工況下面板上表面-1MPa 以上的拉應力分布情況。

圖16 工況D 第一主應力高拉應力區（單位：MPa）Figure 16 High tensile stress zone of the first principal stress under working condition D（unit：MPa）

圖17 工況D 第三主應力高拉應力區（單位：MPa）Figure 17 High tensile stress zone of the third principal stress under working condition D（unit：MPa）

圖18 工況E 第一主應力高拉應力區（單位：MPa）Figure 18 High tensile stress zone of the first principal stress under working condition E（unit：MPa）

圖19 工況E 第三主應力高拉應力區（單位：MPa）Figure 19 High tensile stress zone of the third principal stress under working condition E（unit：MPa）

圖20 工況F 第一主應力高拉應力區（單位：MPa）Figure 20 High tensile stress zone of the first principal stress under working condition F（unit：MPa）

圖21 工況F 第三主應力高拉應力區（單位：MPa）Figure 21 High tensile stress zone of the third principal stress under working condition F（unit：MPa）

由上述高拉應力區分布情況可知：

（1）第一主應力高拉應力區主要在面板上部呈水平分布，基本在高程760m 處，即死水位以上的面板中部。

（2）第三主應力-1MPa 以上拉應力在死水位之上的面板分布廣泛。且在死水位附近及面板兩翼處有明顯的拉應力集中現象。拉應力最值出現在面板兩翼處，基本呈豎直分布。工況D，面板兩翼處的拉應力可達-4MPa。可見，溫度降低對面板應力影響非常明顯，尤其在面板兩翼處。

（3）由面板兩翼豎直分布的拉應力極值區可以看出，環境溫度驟降，很有可能使面板兩翼產生開裂破壞，并向面板腹部延伸。

3 結論

從溫度變化對面板的應力影響可以看出，溫降荷載比溫升荷載對面板影響明顯，環境溫度降低更容易對面板產生破壞。隨著溫降的加劇，面板表面出現的拉應力區的規模與量值越來越明顯。當面板頂面溫降達到40℃，底面溫降20℃時，面板表面拉應力可達4.0MPa。

面板在溫降荷載作用下，拉應力最值出現在兩翼處，呈豎直帶狀分布。在死水位附近及面板兩翼處有明顯的拉應力集中現象，有向面板腹部發展的趨勢。可以認為，環境溫度驟降，很有可能使面板兩翼產生開裂破壞，生成裂縫。

針對環境溫度變化對水面線以上面板變位及應力影響較大的特點，建議在運行期做好水位以上面板的保溫工作。變溫荷載，尤其是溫降荷載下面板兩翼處較容易產生拉應力，且拉應力比較集中，為避免面板產生破壞，可采取適當分縫等措施，減小和消除面板兩翼的拉應力。