孫粵琳，郝巨濤，盧羽平，薛建峰

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都610072；3.中國電力科學(xué)研究院，北京100192）

1 面板擠壓破壞的應(yīng)力應(yīng)變調(diào)查

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整推薦22級(jí)開發(fā)方案的第9個(gè)梯級(jí)電站。作為壩體防滲結(jié)構(gòu)的混凝土面板及其接縫止水的可靠性成為設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。由于混凝土面板的擋水性能相對(duì)可靠，對(duì)接縫止水結(jié)構(gòu)研究就顯得尤為重要。

目前，200 m級(jí)面板壩中已開始出現(xiàn)面板接縫混凝土擠壓破壞現(xiàn)象，如我國的天生橋一級(jí)面板壩（2003年9月）、巴西的巴拉格蘭德 （Barra Grande）面板壩 （2005年9月）和坎普斯諾沃斯 （Campos Novos）面板壩 （2005年10月）以及萊索托的莫哈勒 （Mohale）面板壩 （2006年2月）均發(fā)生了這類破壞，并逐漸引起人們的關(guān)注[1]。大量試驗(yàn)研究成果表明，長期荷載作用下混凝土的單軸極限壓應(yīng)變（對(duì)應(yīng)于峰值應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)變）約為3 000×10-6， 且雖隨強(qiáng)度的增加而增加，但變化幅度遠(yuǎn)小于強(qiáng)度的變幅。

天生橋一級(jí)面板壩面板壓性縫采用硬接縫結(jié)構(gòu)，1997年底開始蓄水，2000年達(dá)到正常高蓄水位，2003年6月L3及L4面板之間首次發(fā)生垂直縫擠壓破壞前，最大水平壓應(yīng)變?yōu)?48×10-6；最大順坡向壓應(yīng)變?yōu)? 061×10-6。莫哈勒面板壩[2]2002年11月開始蓄水，2006年2月因暴雨庫水位猛漲，大壩開始溢流，并發(fā)生垂直縫擠壓破壞，破壞前水平壓應(yīng)變?yōu)?590×10-6， 順坡向壓應(yīng)變?yōu)?65×10-6。 以上這些壓應(yīng)變均小于前述極限壓應(yīng)變。

目前面板混凝土的應(yīng)變多采用應(yīng)變計(jì)觀測(cè)，且一般埋設(shè)在面板混凝土厚度的中部 （水布埡面板壩采用光纖應(yīng)變計(jì)除外，它布置在上下層）?？紤]到面板沉陷過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)并造成縫頂部壓應(yīng)變集中[3]，天生橋一級(jí)壩和莫哈勒壩面板接縫混凝土發(fā)生擠壓破壞時(shí)的壓應(yīng)變應(yīng)高于實(shí)際觀測(cè)的、面板中心的應(yīng)變，偏差的大小應(yīng)與面板轉(zhuǎn)動(dòng)的程度有關(guān)。鑒于天生橋一級(jí)面板壩壩軸線長達(dá)1 104 m，面板轉(zhuǎn)動(dòng)影響應(yīng)較小，可以偏于安全地采用900×10-6作為臨界擠壓破壞應(yīng)變值，這與曹克明[4]的看法也是一致的。

除上述因素外，混凝土標(biāo)號(hào)、配筋情況對(duì)擠壓破壞應(yīng)變也有一定影響，在分析時(shí)應(yīng)注意甄別，但由于強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土的極限壓應(yīng)變影響很小，且限于本文研究范圍不考慮配筋情況差異的影響，故取900×10-6作為臨界擠壓破壞應(yīng)變值。

2 接縫墊板的壓縮試驗(yàn)

在垂直縫中設(shè)置木墊板是設(shè)計(jì)軟接縫的通常做法。為了進(jìn)行面板的應(yīng)力應(yīng)變分析，需了解面板的壓縮力學(xué)性能。這里選用樺木和杉木兩種木料制作壓縮試件，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。

試件尺寸為φ10 cm×2 cm，并在熱瀝青中浸泡10 min左右，使瀝青充分覆蓋木料試件表面。試件取出后晾置1 h以上。考慮到試件條紋方向?qū)嚎s試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)之前測(cè)量了試件條紋的方向（見圖 1）。

圖1 木紋方向角示意

此次試驗(yàn)制得杉木試件2塊，樺木試件4塊。測(cè)量發(fā)現(xiàn)兩種木料試件的條紋方向大致一致，杉木和樺木的方向角分別為60°和55°。

試驗(yàn)按照壓縮速率為1.0～1.8 mm/min控制。試驗(yàn)結(jié)果中，彈性模量是試件發(fā)生屈服以前的取值，屈服應(yīng)變是荷載變形曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折時(shí)的應(yīng)變，殘余模量是試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的卸載模量。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)，除樺木1試件被壓成兩半外，其他試件外觀均完整，另外，試驗(yàn)中采用的變形速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果基本沒有影響。試驗(yàn)結(jié)果見圖2、3。

圖2 杉木應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 樺木應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 面板擠壓破壞的子結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力數(shù)值分析

為了解垂直縫墊縫材料對(duì)面板擠壓狀況的影響，采用ANSYS軟件并用子結(jié)構(gòu)法進(jìn)行了分析。這里以猴子巖面板壩整體有限元分析成果中的墊層表面位移[5]作為分析依據(jù)，采用數(shù)值分析方法了解不同的接縫設(shè)計(jì)對(duì)面板應(yīng)力的影響，進(jìn)而提出了接縫設(shè)計(jì)的建議。

3.1 面板子結(jié)構(gòu)模型

面板子結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，由面板和墊層兩部分組成。面板和墊層采用總計(jì)1 656個(gè)三維8節(jié)點(diǎn)等參單元 （solid45）剖分，節(jié)點(diǎn)數(shù)3 732；面板垂直縫、水平施工縫、周邊縫采用556個(gè)三維8節(jié)點(diǎn)接縫單元 （inter195）剖分，節(jié)點(diǎn)數(shù)2 230；面板和趾板與墊層的交界面采用1 579個(gè)三維4節(jié)點(diǎn)接觸面單元 （targe170&conta173）剖分，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 600。所用面板的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 面板物理力學(xué)參數(shù)

3.1.1 接縫單元 （inter195）

接縫單元可以按照實(shí)際的墊縫材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)定義本構(gòu)關(guān)系。分析中，切向剛度取為定值，其值主要受銅止水的影響。根據(jù) “九五”研究報(bào)告中的剪切試驗(yàn)結(jié)果[6]，鼻子高為52.5 mm的銅止水的切向剛度為1 050 MPa/m。

圖4 面板子結(jié)構(gòu)模型

3.1.2 接觸面單元 （targe170&conta173）

接觸面單元使用20個(gè)實(shí)常數(shù)控制接觸行為。其中法向剛度KN控制兩個(gè)表面之間的穿透值，其數(shù)值應(yīng)足以確保接觸面之間不會(huì)發(fā)生過大的嵌入；切向物理方程采用庫侖摩擦模型，切向剛度KT的計(jì)算公式見式（1）。接觸面力學(xué)參數(shù)見表2。

式中，KT為接觸面上的切向剛度，MPa/m；α為切向剛度系數(shù)，默認(rèn)為1.0；μ為接觸面上的摩擦系數(shù)；N為接觸面壓力，MPa；SL為允許的最大滑移值，m （程序默認(rèn)取接觸長度的1%）。

表2 接觸面力學(xué)參數(shù)[5]

3.2 墊層方案

首先采用大連理工大學(xué)所用的接縫參數(shù)作為基本接縫方案參數(shù)，該方案將河谷的36條垂直縫和水平施工縫的縫寬均取為2 cm，其法向剛度均取為25 000 MPa/m（常數(shù)），依據(jù)的是木板壓縮模量為1 000 MPa；杉木板接縫方案采用較軟的杉木板作為墊縫材料，根據(jù)前節(jié)實(shí)驗(yàn)，壓縮模量為50 MPa，其法向壓力位移關(guān)系采用圖2中杉木1的實(shí)驗(yàn)曲線；樺木板接縫方案采用較硬的樺木板作為墊縫材料，根據(jù)前節(jié)實(shí)驗(yàn)，壓縮模量為230 MPa，其法向壓力位移關(guān)系采用圖3中樺木4的實(shí)驗(yàn)曲線。

3.3 地震波輸入

本次計(jì)算中的地震動(dòng)輸入采用場(chǎng)地譜生成的地震波，峰值加速度選用0.297 g（100年超越概率2%）[5]，3條地震加速度時(shí)程曲線見圖5～7。

圖5 順河向地震加速度時(shí)程曲線[5]

圖6 豎向地震加速度時(shí)程曲線[5]

圖7 壩軸向地震加速度時(shí)程曲線[5]

3.4 成果分析

3種接縫墊層材料方案的靜動(dòng)力計(jì)算成果見表3。由表3可以得出以下結(jié)論：

（1）地震工況下，面板的最大水平向和坡向壓應(yīng)力及壓應(yīng)變普遍高于靜力工況的相應(yīng)結(jié)果，其中基本方案的最大坡向壓應(yīng)變 （835×10-6）接近臨界擠壓破壞應(yīng)變值 （900×10-6），建議采取工程措施，防止地震過程中發(fā)生擠壓破壞。

（2）與基本方案相比，杉木 （壓縮模量 50 MPa）和樺木 （壓縮模量230 MPa）方案的面板水平向最大壓應(yīng)力和水平向最大壓應(yīng)變均有所降低，其中杉木方案的地震過程中水平向最大壓應(yīng)力降低最大，余者兩種木板方案的降低值相當(dāng)，以杉木板方案略優(yōu)。

表3 面板靜動(dòng)力最大值對(duì)比結(jié)果

（3）與基本方案相比，杉木 （壓縮模量 50 MPa）方案的面板坡向最大壓應(yīng)力有所增大，坡向最大壓應(yīng)變降低很少，基本相當(dāng)；樺木 （壓縮模量230 MPa）方案的面板坡向最大壓應(yīng)力和最大壓應(yīng)變均降低，尤其是地震過程中的最大坡向壓應(yīng)變由基本方案的835×10-6降低為538×10-6。因此，樺木（壓縮模量230 MPa）方案可以有效降低面板坡向壓應(yīng)變，對(duì)于防止面板的水平向擠壓破壞明顯有利。

（4）與基本方案相比，在垂直縫中設(shè)置木板墊縫將增大周邊縫、張性縫的最大張開位移，以及地震作用下的接縫最大沉陷位移和剪切位移，其中樺木 （壓縮模量230 MPa）板周邊縫的動(dòng)力最大位移分別為張開26.2 mm、沉陷15.3 mm、剪切21.6 mm，垂直縫的動(dòng)力最大位移分別為張開16.8 mm、沉陷19.2 mm、剪切9.4 mm。這些位移值與本項(xiàng)目研究中要求的接縫指標(biāo)相比，都是完全可以接受的。

4 小結(jié)

目前，防止面板擠壓破壞的最常用的措施是將受壓縫設(shè)成軟接縫 （soft vertical joint）以減小混凝土面板中的壓應(yīng)變。本文通過子結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值計(jì)算，分析了猴子巖水電站面板堆石壩面板不同接縫設(shè)計(jì)對(duì)面板應(yīng)力的影響，從計(jì)算結(jié)果可知，文中所涉及的兩種垂直縫接縫材料均能有效降低面板的水平向最大壓應(yīng)力和水平向最大壓應(yīng)變，鑒于樺木（壓縮模量230 MPa）方案有明顯降低坡向應(yīng)變的效果，且其導(dǎo)致的接縫位移變化不大，不會(huì)影響止水方案，故推薦采用樺木 （壓縮模量230 MPa）方案作為垂直縫的接縫方案。

［1］de S.Pinto N L.Very high CFRD dams-Behavior and design features［C］//3rd Symposium on CFRD Dams.Brazil:2007.

［2］郝巨濤.300 m級(jí)高面板堆石壩接縫止水系統(tǒng)變形適應(yīng)性研究，300 m級(jí)高面板堆石壩防滲和止水系統(tǒng)適應(yīng)性研究［R］.北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2009.

［3］郝巨濤，杜振坤.高混凝土面板堆石壩面板接縫擠壓破壞預(yù)防措施研究［J］.水力發(fā)電， 2008， 34（6）:41-44.

［4］曹克明，汪易森，徐建軍，等.混凝土面板堆石壩［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［5］大連理工大學(xué)，中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.四川省大渡河猴子巖水電站混凝土面板堆石壩三維有限元靜動(dòng)力有限元分析［R］.大連：大連理工大學(xué)，2009.

［6］賈金生，郝巨濤，呂小彬，等.適應(yīng)大變形的接縫止水結(jié)構(gòu)和材料研究［R］.中國水利水電科學(xué)研究院，華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2000.