壩基大型深槽處理承載板結構分析方法研究及應用

黃成家，陳國良，高雅芬，劉西軍

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

龍開口水電站位于云南省鶴慶縣朵美鄉境內，是金沙江中游河段規劃的第6個梯級電站，為Ⅰ等大(1)型工程。壩址區地震基本烈度為VIII度。攔河壩為混凝土重力壩，設計烈度為Ⅸ度，壩頂高程1303.00m，最大壩高119.00m，壩頂長768.0m。

河床溢流壩段壩基存在深槽，深槽分布范圍廣大、且覆蓋層深厚。為對深槽進行處理，決定采用跨深槽布置鋼筋混凝土承載板+洞挖回填混凝土全置換方案。該處理方案中，鋼筋混凝土承載板跨深槽布置，為不規則三維厚板式結構，其跨度和荷載規模巨大。

承載板是深槽處理中的重要承重結構，其受力安全對本工程的安全和按期投產極為重要，而此等規模的大跨度不規則三維厚板式結構在國內外尚無工程實例，如何對其進行結構分析，確保其受力安全，是工程中迫切需要解決的問題。

1 承載板結構布置及施工順序

承載板跨深槽布置，采用C30混凝土，板的跨度約20～43m，厚度約13m。承載板兩側基巖從壩基平臺以1∶0.3坡度下挖至EL.1187.00m。承載板底部布置為拱形結構。

承載板結構布置如圖1所示。施工順序為：開挖至1187m→施工承載板→開挖板下的覆蓋層，同時澆筑上部壩體→板下回填混凝土，并對承載板與回填混凝土接觸面進行灌漿。

2 承載板結構問題分析

承載板結構具有以下特性：

(1)為不規則三維厚板式結構，厚度約13m，跨度上游窄下游寬、約20～43m；

(2)上部荷載巨大，承受約40～70m高的混凝土壩體的自重。

根據以上特性，對其結構問題分析如下：

(1)承載板不是單純的桿件或板式結構，因此不宜采用結構力學方法，宜采用基于固體力學的有限元法對其進行分析；

(2)根據規范要求，取跨度最大剖面及其他典型剖面進行平面有限元法計算分析是合適且較為穩妥的；

(3)采用線彈性本構模型是合適且符合規范要求的，考慮到承載板的荷載規模巨大，且其結構的重要性，宜補充平面非線性鋼筋混凝土有限元法進行計算，分析其裂縫開展和分布情況；

(4)考慮到承載板為不規則厚板式結構，宜補充三維有限元法進行復核。

3 承載板結構分析方法

根據上一節分析，本文提出承載板的結構分析方法如下。

圖1 深槽處理方案典型剖面及承載板結構布置圖

(1)采用平面線彈性有限元法，取跨度最大剖面及其它典型剖面，對承載板進行應力、變形和配筋計算；

(2)采用平面非線性鋼筋混凝土有限元法，取跨度最大剖面及其它典型剖面，研究承載板的裂縫開展和分布情況，復核鋼筋數量及裂縫寬度；

(3)采用三維線彈性有限元法，對承載板整體結構的應力和位移進行了計算分析。

根據DL/T 5057—2009《水工混凝土結構設計規范》，并結合本工程的工程規模，對計算結果的控制標準要求見表1。

表1 計算結果控制標準

4 承載板結構分析成果

4.1 平面線彈性有限元計算

根據深槽部位的地形條件和結構布置情況，選取了壩下0+000m、壩下0+037m、壩下0+062m及壩下0+082m 4個深槽典型斷面進行計算。計算中模擬了承載板及壩體分層澆筑的施工過程。典型剖面(壩下0+082m剖面)有限元模型如圖2所示。

圖2 線彈性計算典型剖面(壩下0+082m)有限元模型

典型剖面(壩下0+082m剖面)的位移和應力計算結果如圖3所示。

圖3 承載板水平向應力(單位：MPa)

位移：基巖沉降為8～12mm；承載板沉降為14～24mm；承載板相對撓度為3～14mm，在承載板跨度的1/2000以內。沉降和撓度的數值微小，說明基巖和承載板的剛度是足夠的，施工期內基巖和承載板不會發生顯著的變形。

基巖應力：承載板基礎的最大壓應力為12.1MPa，

最大剪應力為2.69MPa，除局部微小范圍有應力集中現象外，其余絕大部分范圍基巖承受的壓應力、拉應力、剪應力均小于基巖強度值，超標應力區域的范圍不超過0.5m。

承載板應力、配筋：承載板垂直向最大壓應力10.3MPa，小于混凝土抗壓強度設計值；底部跨中水平向拉應力最大達7.96MPa，遠大于混凝土抗拉強度設計值，因此根據跨中截面總拉力配置了受拉鋼筋，同時估算了相應的鋼筋應力和裂縫寬度，詳見表2。

表2 壩下0+082剖面承載板配筋計算成果表

4.2 平面非線性有限元計算

為復核承載板配筋數量，并分析承載板的裂縫開展情況、開裂后的鋼筋應力發展情況，采用平面非線性有限元法對承載板進行了計算分析，斷面選取同上，共4個典型剖面。典型剖面的計算網格如圖4—5所示。

圖4 非線性計算典型剖面(壩下0+082m)有限元模型

圖5 承載板跨中部位網格

混凝土采用等效單軸應變本構模型；鋼筋采用帶硬化段的彈塑性模型；鋼筋與混凝土粘結滑移曲線采用Houde公式；基巖、壩體混凝土、砂礫石按線性材料計算。混凝土與基礎采用4～8結點等參單元。鋼筋采用桿單元，粘結單元采用雙彈簧單元。計算中模擬了承載板及壩體分層澆筑的施工過程。

典型剖面計算結果見表3，如圖6所示。

表3 壩下0+082剖面最大沉降、最大裂縫寬度與最大鋼筋應力

圖6 壩下0+082剖面最后一塊混凝土澆筑后第7天時的裂縫分布圖

裂縫發展過程分析：當第1塊混凝土澆筑后，在承載板底部、承載板肩部和基巖交界處出現裂縫，除在肩部和基巖交界處出現沿基巖邊界的斜裂縫外，其它裂縫均為垂直分布。此時，承載板底部表面的裂縫寬度不大，最大值為0.11mm；但承載板上表面由于配置鋼筋較少，表面裂縫寬度較大，為0.16mm。隨著后續混凝土的澆筑，裂縫深度和寬度均隨之增大，但承載板底部的裂縫未進入第2澆筑塊。最終的最大表面裂縫寬度為0.27mm，最大內部裂縫寬度為0.45mm(第1澆筑塊上表面的裂縫)，裂縫最大深度約3.0m。

鋼筋應力發展過程：最大鋼筋應力出現在跨中的底部鋼筋部位，當第1塊混凝土澆筑后，跨中部位出現裂縫，鋼筋應力達到42.7MPa，此后隨混凝土澆筑高度的提高而增加，承載板澆筑完成之前，每澆筑一層混凝土，鋼筋應力約增加3MPa～5MPa，承載板澆筑完成后，每澆筑一層混凝土，鋼筋應力約增加1MPa～2MPa，最終的最大鋼筋應力為86.3MPa，小于鋼筋抗拉強度設計值。

承載板的配筋數量復核：由以上計算結果可知，承載板開裂之后，隨著上部混凝土澆筑高度的增加，承載板的沉降、裂縫深度、裂縫寬度和鋼筋應力均平穩增加，未出現急劇增大的現象，說明鋼筋的存在限制了裂縫的發展，承載板受到的荷載還未達到其極限荷載；最終的鋼筋應力為86.3MPa，表面裂縫寬度為0.27mm，均在規范允許范圍內，承載板的承載能力和正常使用能力均滿足要求；另外，最終的表面裂縫寬度(0.27mm)已接近規范允許值(0.30mm)，這說明承載板的配筋數量是合適的。

與線彈性計算結果對比：非線性計算的鋼筋應力和裂縫寬度均比線彈性計算的結果小，這是由于線彈性計算的鋼筋應力和裂縫寬度都只是按最危險的情況估算的，估算時假定所有拉力全部都由鋼筋承擔，而未考慮混凝土的作用，因此估算結果要比模擬鋼筋、混凝土以及裂縫的非線性計算結果要大。

4.3 三維非線性有限元計算

采用三維有限元法對承載板及溢流壩段三維整體受力情況進行計算分析研究。計算模型包括10#、11#、12#壩段在內的大壩、底板、深槽以及近域地基。計算中模擬了承載板及壩體分層澆筑的施工過程。計算模型如圖7所示。

圖7 三維線彈性有限元計算模型

三維有限元計算結果：承載板最大沉降22.06mm，與平面線彈性有限元計算結果接近，承載板的最大橫河向拉應力為5.19MPa，比平面計算結果小2.7MPa。可以看出考慮了承載板的三維效應后的應力有所減小，因此按平面有限法的計算結果配筋是可以滿足承載的需要的。承載板的橫河向正應力分布如圖8所示。

圖8 承載板橫河向正應力

5 工程施工情況

壩基深槽承載板于2010年12月開始開挖，2月底開挖完畢并開始安裝鋼筋及澆筑混凝土，5月底完成全部承載板混凝土的澆筑，至9月底，已完成大部分洞挖施工，承載板上部壩體混凝土的澆筑厚度最高曾達70m。施工過程中各項監測數據正常，承載板運行狀態良好，發揮了預期的承載作用，為實現工程的按期投產打下了良好的基礎，也驗證了本文的的結構分析方法以及分析成果的可靠性。

6 結 語

對于壩基深槽中的大型不規則三維厚板式結構，國內外尚無工程實例可供參考，本文研究其結構和受力特性，綜合規范要求和業界先進的計算理論，提出其結構分析方法以及分析成果控制標準，并應用于工程之中，確保工程安全和按期投產，取得良好效益，可為同類工程提供借鑒和參考。