武 力

(黑龍江省三江工程建設管理局，哈爾濱 150081)

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使用面墻技術的碾壓混凝土重力壩應力變形分析研究

武 力

(黑龍江省三江工程建設管理局，哈爾濱 150081)

碾壓混凝土壩在諸多壩型選擇上有明顯的優(yōu)勢，當今在建的大壩中已成為水利樞紐的首先考慮的壩型選擇。其明顯優(yōu)勢在于工程施工中，混凝土面墻可以成為壩體的一部分，也可輔助施工澆筑混凝土大壩，很大程度上滿足其技術要求和工期要求。文章主要以已建的某碾壓混凝土重力壩，基于混凝土面墻技術的壩體為研究對象，采取合理的本構模型，運用大型有限元計算軟件ANSYS，基本原理基于三維有限元溫度場與應力場相似的機理，分兩種工況竣工期、蓄水期對整個壩體的應力變形進行了計算分析研究。通過二種工況下的計算結(jié)果結(jié)合已有的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證三維有限元分析的合理性，并得出壩體應力變形結(jié)果滿足使用要求。本次計算分析結(jié)果對實際工程的壩工設計有一定的參考價值。

碾壓混凝土重力壩；混凝土面墻；永久式模板；應力變形

1 緒 論

混凝土面墻與預制混凝土模板的機理相似，是屬于永久式模板，使之成為壩體的一部分。工程施工時常采用滑模機攤鋪和振搗，進而澆筑形成的混凝土面墻。此工藝忽略拆除模板的工序，很大程度上可以節(jié)省工期，同時成為壩體的永久護面?；炷撩鎵δ雺夯炷林亓紊系某晒茫趬喂ぴO計中顯示出極大的優(yōu)勢?；炷撩鎵夹g的特點在大壩造價中也能體現(xiàn)優(yōu)勢，它可以明顯降低施工模板的造價，減少混凝土澆筑時層間塊間的間隔時間，同時滿足快速施工、節(jié)省工期的特點。但是作為一種新興技術，尚在大壩設計中技術還未成熟，需慎重考慮混凝土面墻處于擋水壩的迎水面，其滲流影響、應力應變能否符合混凝土重力壩的設計施工和運行觀測要求，目前理論支撐不足，因此在工程結(jié)構構造的合理性上，基于面墻技術的在碾壓混凝土重力壩中此方面的研究具有較高的應用價值。

2 工程概況

某水利水電樞紐工程開發(fā)任務以發(fā)電為主，兼具防洪、灌溉等。水庫總庫容2625萬m3，正常蓄水位585m，電站裝機總?cè)萘?0MW，保證出力4.94MW，年均發(fā)電量17865萬kWh。此樞紐工程主要建筑物為拱壩、左岸廠房、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)和導流洞等建筑物組成?；炷凉皦螇雾敻叱?89.00m，壩底高程494m，最大壩高設計95m；3個溢流表孔設計在壩頂，堰頂高程575m，采用溢流泄洪，消能方式采用差動式挑流鼻坎消能，壩體平面布置如圖1。

圖1 平面布置圖

2.1 計算工況

基本資料：壩頂高程593.00m，壩底高程498.00m。正常蓄水位590.00m，相應下游水位515.00m。淤沙高程506.00m。內(nèi)摩擦角14°，浮容重8.5kN/m3。

2.2 模型建立

有限元分析模型計算對象以最大壩高壩段及壩基作為計算對象。模型選定的計算范圍：上、下游自壩踵處各向延伸95m，豎直方向自壩基向下延伸95m。有限元模型計算單元劃分采用SOLID45單元和SOLID65單元。計算模型共劃分的單元數(shù)和節(jié)點數(shù)如下：單元總數(shù)19454個，節(jié)點總數(shù)22083個。計算模型網(wǎng)格劃分如圖2。

圖2 施工期壩體網(wǎng)格劃分圖

2.3 材料參數(shù)

壩體材料物理力學、熱學參數(shù)表如表1。

表1 壩體材料物理力學、熱學參數(shù)表

2.4 邊界條件

有限元計算模型定義的結(jié)構邊界條件為：在上游和下游邊界面施加相應鏈桿約束，左、右岸壩肩施加相應鏈桿約束，在大壩底部邊界面施加三向約束。

3 計算結(jié)果

施工期是將壩體自重和溫度荷載進行結(jié)構計算，根據(jù)溫度場的計算結(jié)果，計算結(jié)果如圖3、圖4、圖5。

圖3 竣工時大壩x方向的正應力等值線圖

圖4 竣工時大壩剖面y方向的正應力等值線圖

圖5 竣工時大壩z方向的正應力等值線圖

圖3可得出，施工期的x方向主要為拉應力。大部分應力值較大的均分布在壩體底端，拉應力最大值0.10MPa。在大壩兩端也存在部分壓應力，主要分布區(qū)域在上游和下游面，壩基礎出現(xiàn)最大值為0.24MPa。大壩中間部位也出現(xiàn)一些拉、壓應力，但數(shù)值均偏小。

圖4可得出，施工期的y方向主要為拉應力。大壩上游和下游面均出現(xiàn)一定的壓應力。壓應力最大值產(chǎn)生于壩基處，最大值為0.34MPa。上游和下游面的位置拉應力值相對大些，其中上游面出現(xiàn)最大值為0.36MPa。大壩中間部位也有壓應力的產(chǎn)生。

圖5中可得出，施工期z方向主要為壓應力，拉應力產(chǎn)生區(qū)域相比極小，其應變數(shù)值均較小，最大值僅為0.08MPa。壓應力由下游面到上游面逐漸變大，最大值產(chǎn)生于壩基處，最大值為1.32MPa。由上述數(shù)據(jù)可以推斷施工期應力滿足規(guī)范規(guī)定的結(jié)構強度要求

蓄水期使用有限元軟件計算大壩壩體的應力應變情況，計算分析結(jié)果如圖6、圖7、圖8。

圖6 蓄水期大壩x方向的正應力等值線圖

圖7 蓄水期大壩y方向的正應力等值線圖

圖8 蓄水期大壩z方向的正應力等值線圖

圖6中可得出，蓄水后x方向主要為壓應力，數(shù)值分布均勻，大小保持在0.14MPa左右。壩基底部出現(xiàn)壓應力最大值，其值為0.95MPa。應力分布規(guī)律與施工期基本保持一致，但數(shù)值基本偏大。分析由于蓄水后大壩上游x方向上的壓應力均呈現(xiàn)減小趨勢，導致壩基處出現(xiàn)部分拉應力，其值均較小，拉應力最大值通過計算僅為0.06MPa。

圖7中可得出，蓄水后y方向主要為壓應力，數(shù)值均不大，大小保持在0.08MPa左右。同時蓄水后部分區(qū)域出現(xiàn)較小的拉應力，拉應力最大值出現(xiàn)在大壩上、下游的壩基處，與施工期的分布規(guī)律保持一致。

圖8中可得出，蓄水后z方向主要為壓應力，此應力分布規(guī)律隨著大壩高度的減小應力值緩慢變大，最大值出現(xiàn)于壩基處，其值為0.66MPa。拉應力出現(xiàn)范圍局限，大壩中央部分很顯著，其次也在壩基處小范圍的分布著。比較明顯的是在混凝土面墻和大壩的結(jié)合處存在拉應力，其最大值為0.14MPa。以上計算結(jié)果驗證了蓄水期的應力變形滿足規(guī)范規(guī)定的結(jié)構強度要求。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合工程實例對某水利樞紐工程進行的有限元數(shù)值仿真計算分析，得出碾壓混凝土重力壩和混凝土面墻在不同工況下的應力變形均符合規(guī)范的強度和結(jié)構要求，計算結(jié)果準確，與工程實測數(shù)據(jù)相比均比較符合，由以上計算結(jié)果表明：基于面墻技術的碾壓混凝土重力壩是可以應用到工程實際中。這項新技術與傳統(tǒng)工藝相比，特點顯著，現(xiàn)目前在已建的工程實例均可以借鑒，并取得了很好的技術和經(jīng)濟價值。后期將做進一步理論研究，研究在結(jié)構適用性上的合理性，對這種技術的普及提供一定的理論價值和指導意義。

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[2]余衛(wèi)平,耿克勤,汪小剛,等.某水電站碾壓混凝土壩三維非線性有限元分析[J].水利與建筑工程學報，2006(02)：6-10.

1007-7596(2017)04-0023-03

2017-03-06

武力(1974-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師。

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