帶縱縫RFC重力壩壩基彈模敏感性分析

陳興梅，鄒 爽，曾令福，周禮鵬

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

RFC重力壩又稱堆石混凝土重力壩，是基于新興的RFC技術(shù)[1- 2]所修建的一種新型材料重力壩。RFC重力壩主要依靠高自密實混凝土的高流動性能和抗離析性能不斷地充填堆石骨架空隙，形成整體密實、強度可靠的大體積堆石混凝土。與常規(guī)混凝土相比，堆石混凝土材料具有低水泥用量、低水化熱、高強度、高工效、經(jīng)濟環(huán)境效益突出[3]等優(yōu)點。RFC重力壩的施工取消了復(fù)雜的溫控和分縫措施，簡化了施工工序，克服了機械碾壓和振搗帶來的負面影響，極大程度地打破了傳統(tǒng)混凝土重力壩的施工局限。

巖基上的重力壩作為一種依靠自重維持自身穩(wěn)定的懸臂結(jié)構(gòu)，要求壩基具備一定的強度、完整性、不透水性和抗滑能力。壩體應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定是重力壩安全度的控制指標(biāo)。文獻[4]指出重力壩壩體應(yīng)力主要受壩基彈模、壩體材料分區(qū)、縱縫、溫度變化以及分期施工等因素的影響，抗滑穩(wěn)定則與壩基的堅硬性息息相關(guān)。重力壩壩體與壩基相互作用的分析表明，壩基彈模變化對壩體安全度的影響十分顯著[5- 7]。壩基缺陷是導(dǎo)致重力壩失事的主要因素[8]。

現(xiàn)階段RFC技術(shù)還處于不斷發(fā)展中，行業(yè)內(nèi)缺乏相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，許多設(shè)計理念還存在較大的分歧和爭議。建成的中低RFC重力壩相對較多，高RFC重力壩和RFC拱壩相對鮮見。目前，RFC重力壩的防滲設(shè)計參考了傳統(tǒng)混凝土壩和漿砌石壩的防滲設(shè)計，在壩體上游面設(shè)計防滲層[14]。這種設(shè)計雖簡化了分縫，但當(dāng)采用常態(tài)混凝土澆筑防滲層時，無論是先澆筑常態(tài)混凝土防滲層還是先澆筑堆石壩體，防滲層和堆石壩體間會存在一條施工縱縫。對于帶施工縱縫工作的RFC重力壩，研究壩基彈模變化對其安全度影響尤其重要。本文以貴州某RFC重力壩工程為實例，采用二維有限元分析方法，開展帶施工縱縫的RFC重力壩的工作性態(tài)對壩基彈模的敏感性研究。探討壩基彈模變化對其變形和應(yīng)力可能產(chǎn)生的影響以及其規(guī)律。

1 工程概況

某RFC重力壩坐落于貴州境內(nèi)，是一座以村鎮(zhèn)人畜供水兼顧煙地灌溉用水的小(1)型水庫。水庫總庫容為240萬m3，正常蓄水位為1824.00m，工程等別為IV等。大壩為C15堆石砼重力壩，壩頂寬5.0m，最大壩高為45.3m。壩體防滲體系由上游C25W6F100鋼筋混凝土防滲層和壩基防滲帷幕構(gòu)成，上游防滲層厚3.0m。壩體橫斷面如圖1所示。

圖1 大壩橫剖面圖

2 計算模型和方案

重力壩受力狀態(tài)是典型的平面應(yīng)變狀態(tài)，二維模型既能保證重力壩的計算精度也能減少計算量[15]。有限元計算模型采用直角坐標(biāo)系，以上游壩踵為坐標(biāo)原點，X正向順?biāo)飨蛳掠?，Y正向鉛直向上，壩基上下游側(cè)向外擴展長度和壩基深度延伸長度均取兩倍壩高約90m。防滲層施工縱縫用5cm薄層單元模型進行仿真[16- 17]，有限元計算模型如圖2所示。模型共計17175個單元、17480個節(jié)點，壩體單元4125個(薄層單元84個)、壩體節(jié)點4250個。

圖2 有限元計算模型

依據(jù)傳統(tǒng)混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范[18]，荷載組合為：靜水壓力+泥沙壓力+揚壓力+壩體自重。本文計算工況為校核洪水位情況，除壩基彈模外，其余計算參數(shù)均按原設(shè)計取值。淤沙浮容重取1.3t/m3，淤沙內(nèi)摩擦角取18°，揚壓力折減系數(shù)取0.25，模擬縱縫的薄層單元的彈模、泊松比皆接近于0取值[19]，各材料計算參數(shù)見表1。

表1 有限元計算參數(shù)表

壩體材料上游防滲層和下游堆石壩體為異彈模，主體材料為堆石混凝土，取堆石混凝土彈模作為壩基彈模的比值對象。E1為堆石混凝土材料彈模，E2為壩基彈模，λ為E1/E2。本文旨在研究壩體變形和應(yīng)力對壩基彈模變化的敏感性，防滲層和堆石壩體的彈模固定不變，巖石彈模大致在1～100GPa，本文設(shè)計方案中壩基彈模最小取到2.5GPa，最大取到80GPa，見表2。僅考慮壩基的線彈性作用，采用無質(zhì)量的均質(zhì)的壩基模型進行計算，壩基泊松比按原設(shè)計取0.3。

表2 壩基彈模計算方案表

3 結(jié)果分析

3.1 壩體位移

壩體上、下游面位移情況見表3和表4。壩體位移與壩基彈模成負相關(guān)，即壩基彈模越小，壩體變形越大。壩體順河向位移對壩基彈模的敏感度為壩趾>壩踵>上游面頂點=下游面頂點>下游面折坡點>上游面折坡點。下游面順河向位移對壩基彈模變化比上游面更敏感，折坡點以上豎直結(jié)構(gòu)的順河向位移對壩基彈模的敏感度與其高程呈正相關(guān)。壩體鉛直向位移對壩基彈模的敏感度為壩踵>壩趾>上游面折坡點>下游面折坡點>下游面頂點>上游面頂點。鉛直向位移對壩基彈模的敏感度與其高程呈負相關(guān)，上游面鉛直向位移對壩基彈模變化更敏感。壩踵、壩趾處的位移變化率最大，說明壩趾、壩踵處位移對壩基彈模變化最為敏感。壩踵區(qū)鉛直向位移較順河向位移敏感，壩趾區(qū)則正相反。

表3 壩體順河向位移情況 單位：mm

表4 壩體鉛直向位移情況 單位：mm

壩基彈模變化對壩體位移的影響程度與壩體與壩基彈模比λ有關(guān)。壩基彈模與壩體彈模大小差異越大，壩體位移的變化率越大即越敏感。當(dāng)壩體與壩基彈模比在1.25～1.5之間時，壩體位移變化幅度最小。λ<1.25時的位移變化率比λ>1.5時的平緩，說明當(dāng)壩基彈模大于壩體彈模時，增大壩基彈模對壩體位移優(yōu)化效果沒有當(dāng)壩基彈模小于壩體彈模時顯著。壩基彈模越大，地基剛度越高，對地基巖性和地基處理的要求就越高，相應(yīng)的工程投資就越大。

3.2 壩體應(yīng)力

為更清晰的探究壩基彈模變化對壩體應(yīng)力的影響，表5和表6給出了壩體上下游面的應(yīng)力隨壩基彈模的變化情況。上、下游面壩頂與折坡點的應(yīng)力受壩基彈模變化的影響較小，可忽略不計。但壩踵與壩趾處應(yīng)力對壩基彈模的變化十分敏感。順河向應(yīng)力除上游面壩頂與壩基彈模成正相關(guān)外，其余應(yīng)力均與壩基彈模負相關(guān)。整體上基礎(chǔ)越軟，順河向應(yīng)力越大。壩踵區(qū)順河向拉應(yīng)力、壩趾區(qū)順河向壓應(yīng)力都隨壩基彈模的減小而增大。從應(yīng)力變化率來看，順河向應(yīng)力對壩基彈模的敏感度為壩趾>壩踵。鉛直向應(yīng)力在壩踵區(qū)隨壩體與壩基彈模比λ的增加而漸漸趨向于壓應(yīng)力。即隨壩基彈模的增大，壩踵區(qū)鉛直壓應(yīng)力逐步下降、鉛直向拉應(yīng)力逐步增加。壩趾區(qū)鉛直向壓應(yīng)力隨壩基彈模的增大而減小，與壩基彈模成負相關(guān)。鉛直向應(yīng)力對壩基彈模變化的敏感度為壩踵>壩趾。對比順河向應(yīng)力和鉛直向應(yīng)力可看出，壩踵區(qū)鉛直向應(yīng)力變化率偏大，對壩基彈模的變化較順河向應(yīng)力敏感，壩趾區(qū)正好相反。

表6 壩體鉛直向應(yīng)力情況 單位：MPa

同時壩踵應(yīng)力、壩趾應(yīng)力對壩基彈模的敏感程度也與壩體與壩基彈模比λ相關(guān)。壩體與壩基彈模比λ在1.25～1.5之間的應(yīng)力變化率最小，隨著壩基彈模與壩體彈模差距的逐步增大，壩體應(yīng)力對壩基彈模的敏感性也逐步增強，與位移規(guī)律類似。λ<1.25時，壩趾的應(yīng)力對壩基彈模的敏感度隨λ的減小而增大。說明當(dāng)壩基彈模趨向于大于壩體彈模時，不斷提高壩基彈模優(yōu)化壩基條件對壩趾應(yīng)力的改善效果越顯著。但壩踵處的鉛直向應(yīng)力會趨向于拉應(yīng)力，并隨壩基彈模的增大而增大，對壩體安全度不利。

3.3 施工縱縫縫面位移和應(yīng)力

為明確壩基彈模對RFC重力壩施工縱縫的工作性能的影響，本文對該壩防滲層施工縱縫的縫面位移和縫面應(yīng)力進行了研究?？v縫上、下游側(cè)的位移情況相同，具體如圖4所示?？梢娍v縫上的位移與壩基彈模成負相關(guān)，壩基越軟，縫面變形越大?？v縫頂端、折坡點以及底端的變形對壩基變化的敏感程度相當(dāng)，敏感度隨著壩體與壩基彈模比變化而變化。

圖4 縱縫上游側(cè)位移情況

壩體防滲層施工縱縫縫面上的主應(yīng)力隨壩基彈模的變化情況如圖5所示。正為拉應(yīng)力，負為壓應(yīng)力?？梢钥闯?，施工縱縫頂端和折坡處的主應(yīng)力對壩基彈模的變化并不敏感，基本不受壩基彈模的影響，縱縫底端的主應(yīng)力對壩基彈模變化比較敏感。縫面第一主應(yīng)力與壩基彈模成正相關(guān)，壩基彈模越小，第一主應(yīng)力越小。根據(jù)經(jīng)驗，重力壩的縱縫只要縫面出現(xiàn)拉應(yīng)力就可能張裂[20]?？梢?，壩基彈模越小，對改善縱縫性能越有利?？v縫上游側(cè)第三主應(yīng)力較大并與壩基彈模成負相關(guān)，壩基彈模越小，第三主應(yīng)力越大。第三主應(yīng)力大致隨λ線性變化，說明縫面第三主應(yīng)力對壩基的敏感程度基本不受壩體與壩基彈模比的影響。綜上，壩基彈模的下降雖可減少縱縫縫面的拉應(yīng)力，降低縱縫的拉裂風(fēng)險，但會使其上游側(cè)的壓應(yīng)力增大。一旦上游側(cè)的壓應(yīng)力超過其材料的極限抗壓強度就會發(fā)生破壞。

圖5 縱縫縫面主應(yīng)力情況

4 結(jié)論

本文通過研究某帶施工縱縫工作的RFC重力壩的位移和應(yīng)力對其壩基彈模變化的敏感性，分析得出以下結(jié)論：

(1)壩體上、下游面的變形、施工縱縫上的變形與壩基彈模負相關(guān)，位移對壩基彈模的敏感度隨壩體與壩基彈模差異的增大而增大。

(2)壩體折坡點以上豎直結(jié)構(gòu)的應(yīng)力基本不受壩基彈模的影響，壩踵區(qū)、壩趾區(qū)應(yīng)力對壩基彈模變化十分敏感。對于帶施工縱縫的中低RFC重力壩而言，壩體與壩基彈模比在1.25～1.5時，壩體變形和應(yīng)力相對處于最優(yōu)水平。

(3)起坡點以上防滲層施工縱縫豎直部位的應(yīng)力對壩基彈模不敏感，施工縱縫底端的應(yīng)力對壩基彈模變化敏感?？p底主拉應(yīng)力與壩基彈模成正相關(guān)，主壓應(yīng)力與壩基彈模成負相關(guān)。減小壩基彈模會降低縱縫被拉裂的風(fēng)險，同時也會增大縱縫被壓壞的風(fēng)險。對于帶縱縫工作的RFC重力壩而言，其壩基彈模理應(yīng)存在一個安全區(qū)間，既能保證縱縫的工作性能也能保證大壩的安全度。