混凝土面板在碾壓式重力壩中的錯(cuò)位分析研究

譚清順

(齊齊哈爾市鐵鋒區(qū)水利站，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

1 工程概況

某水利水電樞紐工程效益主要以發(fā)電為主，兼具調(diào)蓄防洪、灌溉功能等。樞紐主要建筑物由重力壩、左岸廠房、壩身泄洪洞、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)等組成，水庫(kù)總庫(kù)容2463萬(wàn)m3，正常蓄水位590m，電站裝機(jī)總?cè)萘?5MW，發(fā)電量1.82萬(wàn)kW·h/a[1]?；炷林亓螇雾敻叱?96.00m，壩底高程501m，最大壩高95m。面墻結(jié)合式碾壓混凝土重力壩結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 面墻結(jié)合式碾壓混凝土重力壩結(jié)構(gòu)圖

2 碾壓混凝土層面本構(gòu)關(guān)系

碾壓混凝土層面結(jié)合為理想彈塑性模型，非線性分析時(shí)模型破壞過(guò)程，碾壓混凝土層面破壞過(guò)程線，見(jiàn)圖2[2]。

圖2 碾壓混凝土層面破壞過(guò)程線

1)彈性階段：

當(dāng)混凝土層面單元在彈性階段變化時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合虎克定律，表達(dá)式為：

dσ=[D]dε

(1)

2)當(dāng)層面單元受法向拉裂破壞時(shí)，基本條件表達(dá)式為：

Fj=σz-σt,f≥0

(2)

式中：σt,f為層面法向抗拉強(qiáng)度。

層面拉裂破壞后的應(yīng)力釋放量為：

(3)

層面破壞后應(yīng)力應(yīng)變的增量關(guān)系為：

(4)

3)層面的拉剪破壞

拉剪破壞后的層面單元屈服條件為：

(5)

式中：f'，c'為層面的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)。

4)層面的壓剪破壞：層面的壓剪破壞包括初始屈服和后繼屈服，前者包含一定的剪應(yīng)力釋放。

(6)

后繼屈服條件為：

(7)

3 面墻與壩體間的錯(cuò)位分析研究

3.1 壩體材料物理力學(xué)參數(shù)

參照工程材料力學(xué)參數(shù)及其他工程經(jīng)驗(yàn)，壩體及基巖材料力學(xué)、熱力學(xué)參數(shù)表，見(jiàn)表1。

表1 壩體及基巖材料力學(xué)、熱力學(xué)參數(shù)表

3.2 計(jì)算工況

本次計(jì)算設(shè)定荷載組合有四種，計(jì)算工況與荷載組合，見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況與荷載組合

3.3 計(jì)算分析

大壩上游面和上游面墻的下游面為第一接觸面，大壩下游面和下游面墻的上游面為第二接觸面。文章對(duì)兩類接觸面計(jì)算分析應(yīng)力應(yīng)變，因篇幅限制，只展示正常蓄水位工況下的兩類接觸面同高程的不同錯(cuò)位結(jié)果圖，選定高程498m、517m、525m為基準(zhǔn)來(lái)對(duì)比分析。圖中坐標(biāo)軸x方向?yàn)楣?jié)點(diǎn)位置編號(hào)，y方向?yàn)殄e(cuò)位值，單位mm。

3.3.1 第一接觸面的錯(cuò)位計(jì)算結(jié)果圖及其分析

大壩正常蓄水位工況(基本組合二)的第一接觸面節(jié)點(diǎn)錯(cuò)位的各向分量計(jì)算，第一類接觸面x向的錯(cuò)位分量圖，見(jiàn)圖3；第一類接觸面y向的錯(cuò)位分量圖，見(jiàn)圖4；第一類接觸面z向的錯(cuò)位分量圖，見(jiàn)圖5。(x為順河向，y為壩軸向，z為豎直向)。

圖3 第一類接觸面x向的錯(cuò)位分量圖

圖4 第一類接觸面y向的錯(cuò)位分量圖

圖5 第一類接觸面z向的錯(cuò)位分量圖

由圖3錯(cuò)位曲線圖可知，正常蓄水位的第一接觸面錯(cuò)位的x向分量值隨位置測(cè)點(diǎn)呈波動(dòng)變化，豎直向未產(chǎn)生顯著的規(guī)律性，位移區(qū)間為-0.0016-0.0022 mm，最大值在大壩底部偏右側(cè)，最小值在壩體1/2部位。

從圖4可知，正常蓄水位下的y向錯(cuò)位分量在y、z向無(wú)規(guī)律性，兩側(cè)變化較大，其余變化均較小，最大位移在壩頂偏左側(cè)位置，其值為0.0015 mm，出現(xiàn)在，最小位移在大壩偏頂部左側(cè)位置，值-0.00122 mm。

從圖5可知，正常蓄水位的z向錯(cuò)位分量隨大壩高程增加，其值越小，最后呈負(fù)值。錯(cuò)位值變化區(qū)間為-0.301-0.304 mm，最大值在大壩底部偏左側(cè)位置，值為0.3024mm；最小位移在壩體1/2部位處，其值-0.301 mm。

3.3.2 第二接觸面的錯(cuò)位分析

大壩正常蓄水位工況(基本組合二)的第二接觸面節(jié)點(diǎn)錯(cuò)位的各向分量計(jì)算，第二類接觸面x向的錯(cuò)位分量圖，見(jiàn)圖6；第二類接觸面y向的錯(cuò)位分量圖，見(jiàn)圖7；第二類接觸面z方向的錯(cuò)位分量圖，見(jiàn)圖8。

圖6 第二類接觸面x向的錯(cuò)位分量圖

圖7 第二類接觸面y向的錯(cuò)位分量圖

圖8 第二類接觸面z方向的錯(cuò)位分量圖

從圖6錯(cuò)位曲線圖可知，正常蓄水位下第二接觸面x向錯(cuò)位分量值與所在點(diǎn)高程呈線性變化關(guān)系，錯(cuò)位值隨高程的增加而增加大，位移變化區(qū)間為-0.0015-0.0015 mm，最大位移在大壩中部，其值為0.00118 mm，最小位移在大壩底部偏左側(cè)位置，其值-0.00146 mm。

從圖7可知，y向錯(cuò)位分量值沿y、z向均無(wú)顯著規(guī)律，大壩底部錯(cuò)位值范圍較大，底部產(chǎn)生最大、小變形值，最大錯(cuò)位在大壩底部右側(cè)位置，其值0.021 mm，出現(xiàn)在壩體底部右側(cè)附近，最小錯(cuò)位在底部左側(cè)位置，其值為-0.031 mm。

從圖8可知，z向錯(cuò)位分量分布呈現(xiàn)一定的線性規(guī)律，位移值隨高程增加而降低，錯(cuò)位分量值區(qū)間-0.021-0.020 mm，最值出現(xiàn)位置同x向。

4 結(jié) 論

文章基于碾壓混凝土層面本構(gòu)關(guān)系原理分析，結(jié)合實(shí)際工程計(jì)算分析碾壓式重力壩在蓄水期與防滲面板不同接觸面的應(yīng)變結(jié)果，綜合認(rèn)為第二類接觸面的各向錯(cuò)位分量變化優(yōu)于第一接觸面，規(guī)律性較強(qiáng)，三向錯(cuò)位分量z向最大，y向最小，大壩和面墻結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)殄e(cuò)位接觸而破壞，面墻作為大壩的防滲層，結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力變形滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。