劉 斌

(1.水利部農(nóng)村電氣化研究所， 浙江 杭州 310012；2.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心， 浙江 杭州 310012)

Hardfill壩是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新壩型，在河床砂礫石和開(kāi)挖廢棄料等在壩址附近容易獲得的材料中添加膠凝材料和水，通過(guò)設(shè)備的簡(jiǎn)易拌和從而得到的低強(qiáng)度填筑材料，具有安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)接近貧碾壓混凝土[1]。這種壩具有高安全性、高抗震性和對(duì)地基條件要求低的優(yōu)點(diǎn)。

由于這種材料的膠凝材料用量很少，水泥水化放出的熱量很小，可以進(jìn)行連續(xù)澆筑，施工簡(jiǎn)便、快速，造價(jià)低廉，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響小，在中小水電中，尤其是圍堰和攔河堰壩等方面，得到嘗試和應(yīng)用[2-3]。

Hardfill壩剖面示意圖如圖1所示。

1 仿真計(jì)算原理

1.1 溫度場(chǎng)計(jì)算原理

由熱量的平衡，溫度升高所吸收的熱量必須等于從外面流入的凈熱量與內(nèi)部熱之和。一般三維問(wèn)題，固體熱傳導(dǎo)基本方程如下[4-5]：

圖1Hardfill壩剖面示意圖

(1)

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(mh·℃)；c為比熱；a為導(dǎo)溫系數(shù)，a=λ/ρc,m2/h；ρ為密度；t為時(shí)間；T為溫度函數(shù)。

1.2 徐變應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算原理

混凝土作為彈性徐變體，齡期徐變特性對(duì)溫度應(yīng)力有較大影響，因此在溫度應(yīng)力計(jì)算時(shí)必須考慮混凝土徐變效應(yīng)。溫度應(yīng)力計(jì)算中，取混凝土為線彈性徐變體，將計(jì)算實(shí)體離散為若干單元，則單元內(nèi)某一點(diǎn)任一時(shí)段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[1]為

{Δδ}=[D]×({Δζ}-{Δζ0})

(2)

式中：[D]為彈性矩陣；Δζ為應(yīng)變?cè)隽浚沪う臑閼?yīng)力增量；{Δζ0}為初應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

對(duì)于采用增量法的變應(yīng)力作用下混凝土徐變應(yīng)力計(jì)算，文獻(xiàn)[1]給出了隱式解法。

有限元基本方程為：

(3)

其中

(4)

徐變度計(jì)算：

(5)

逐時(shí)段累加后，得到應(yīng)力如下：

(6)

2 三維有限元仿真分析

2.1 仿真概述

在仿真過(guò)程中，大壩高度取為100 m，Hardfill壩(上下游對(duì)稱，壩坡1∶0.7)，碾壓混凝土壩(上游平直，下游壩坡1∶0.7)。以下是仿真過(guò)程中用到的三維有限元模型。為了方便對(duì)比，兩種壩不采用人工溫控措施，僅僅采用自然冷卻的方法。溫度場(chǎng)采用的熱學(xué)參數(shù)如表1所示[2]，對(duì)于外界溫度，采用余弦函數(shù)進(jìn)行模擬。

表1 碾壓混凝土壩仿真計(jì)算參數(shù)

圖2仿真計(jì)算模型

2.2 計(jì)算成果分析

2.2.1 特征點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律

為反映混凝土溫度的變化歷程，取壩體中央5個(gè)特征點(diǎn)(壩基附近，距壩基30 m、50 m、70 m、85 m)，對(duì)其溫度變化規(guī)律進(jìn)行分析。在計(jì)算中只考慮大壩施工期溫度場(chǎng)變化規(guī)律，Hardfill壩取為300 d，碾壓混凝土壩計(jì)算時(shí)間取為500 d。

碾壓混凝土典型高程溫度時(shí)程線如圖3所示，溫度時(shí)程曲線可以看出，混凝土澆筑后溫度迅速上升，這主要是由于混凝土水化放熱。從圖3上可以看出，壩基附近溫度上升到最高溫度后變化比較小；最高溫度出現(xiàn)在壩體距壩基70 m的地方；在壩的頂部，由于澆筑結(jié)束后外界溫度較低，在達(dá)到最高溫度后，溫度逐漸降低。

圖4為Hardfill壩典型高程的溫度時(shí)程線，將圖4與圖3相比較，可以看出，Hardfill壩達(dá)到的最高溫度是22.9℃，與此同時(shí)，碾壓混凝土壩達(dá)到的最高溫度是32℃。對(duì)比兩種壩的溫度時(shí)程線，Hardfill壩各個(gè)高程點(diǎn)除壩基附近與其它高程點(diǎn)溫度相差比較大外溫度相差不大，變化也較為平緩；碾壓混凝土壩的溫度時(shí)程線變化相對(duì)來(lái)說(shuō)較為激烈，不同高程之間溫度相差比較大。

2.2.2 壩段中央剖面溫度變化規(guī)律

圖5為兩種壩溫度包絡(luò)圖。在外界條件相同的前提下，通過(guò)對(duì)比兩種壩型溫度等值線圖可知，碾壓混凝土壩達(dá)到的最高溫度比Hardfill壩要高很多，壩體出現(xiàn)的最高溫度和最低溫度之差，也比Hardfill壩大一些。

圖3 碾壓混凝土壩典型高程溫度時(shí)程線

圖4Hardfill典型高程溫度變化曲線

圖5溫度包絡(luò)圖(單位：℃)

3 壩體應(yīng)力水平

壩體應(yīng)力水平是對(duì)筑壩材料強(qiáng)度要求的直接依據(jù)，研究Hardfill壩可采用低強(qiáng)度筑壩材料的理論原理。Hardfill壩的基本壩體剖面是對(duì)稱的梯形，相對(duì)以直角三角形作為基本剖面的傳統(tǒng)重力壩，其壩體應(yīng)力水平有較大幅度的降低。采用有限元數(shù)值模擬方法[7]計(jì)算100 m高的Hardfill壩的應(yīng)力分布，沒(méi)有拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為約1.8 MPa。

Hardfill壩的基本壩體剖面是對(duì)稱的梯形，相對(duì)以直角三角形作為基本剖面的傳統(tǒng)重力壩，其壩體應(yīng)力水平有較大幅度的降低。Londe[8]對(duì)100 m高Hardfill壩的計(jì)算結(jié)果是，其壩體最大壓應(yīng)力不超過(guò)1.5 MPa。壩體應(yīng)力水平是對(duì)筑壩材料強(qiáng)度要求的直接依據(jù)。重力壩為直角三角形剖面，而Hardfill壩采用對(duì)稱梯形剖面，壩體應(yīng)力降低由于壩體斷面的增大而降低，應(yīng)力分布也較為均勻，而且由于斷面寬大，壩基面面積增大，壩基內(nèi)的應(yīng)力包括壩基面上的應(yīng)力較重力壩大幅度減小[9]。大壩的整體穩(wěn)定性和安全性提高。而在強(qiáng)震區(qū)，Hardfill壩地震動(dòng)應(yīng)力集中程度較重力壩大為緩解，大壩抗震安全性得到顯著改善。故地震活動(dòng)區(qū)建壩，這種新壩型具有顯著優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)證明，這種新壩型在軟基上相比重力壩也有顯著優(yōu)勢(shì)[10]。

圖6和圖7分別給出了重力壩和Hardfill壩的壩體在滿庫(kù)時(shí)第一主應(yīng)力、第三應(yīng)力的分布情況，其中正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

從圖6可以看到，重力壩和Hardfill壩在壩踵都有局部的拉應(yīng)力集中，但Hardfill壩的壩體內(nèi)應(yīng)力明顯比重力壩應(yīng)力分布均勻，特別是在靠近壩基面附近的位置，重力壩應(yīng)力沿順河向變化較大，而Hardfill壩幾乎沒(méi)有變化，等值線近似水平，應(yīng)力分布十分均勻[11]。從圖7的第三主應(yīng)力分布中也可以看到Hardfill壩壩體內(nèi)應(yīng)力等值線呈近似水平分布，在壩趾處沒(méi)有重力壩所顯示的應(yīng)力集中。

圖6 第一主應(yīng)力σ1分布(單位：MPa)

圖7第三主應(yīng)力σ3分布(單位：MPa)

線彈性有限元計(jì)算成果表明：在空庫(kù)和滿庫(kù)兩種情況下常規(guī)重力壩的壩趾、壩踵都有明顯的應(yīng)力集中：壩趾為壓剪應(yīng)力集中；壩踵為拉剪應(yīng)力集中。

在空庫(kù)和滿庫(kù)兩種情況下Hardfill壩的壩趾、壩踵均出現(xiàn)應(yīng)力集中：壩趾為壓剪應(yīng)力集中；壩踵為拉剪應(yīng)力集中?？諑?kù)下壩體基本不出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩體最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在壩踵附近(為壓應(yīng)力)。隨著地基彈模減小，壩底中部將出現(xiàn)拉應(yīng)力。地基彈模越小，拉應(yīng)力值越大，在拉應(yīng)力出現(xiàn)前，壩體第一主應(yīng)力隨著地基彈模的減小而增大。可見(jiàn)地基較軟時(shí)，壩體工作條件較差。滿庫(kù)時(shí)，壩踵處出現(xiàn)拉應(yīng)力。隨著壩基彈模增大，壩踵處最大第一主拉應(yīng)力值增大。

4 討論分析

Hardfill壩作為一種新壩型， 具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用與發(fā)展。

(1) 從溫度控制上來(lái)看，Hardfill壩與傳統(tǒng)重力壩具有較大不同。由于Hardfill材料膠凝材料用量較小，達(dá)到的最高溫度大大小于碾壓混凝土，相比碾壓混凝土Hardfill材料在這方面具有比較大的優(yōu)勢(shì)。Hardfill壩高溫區(qū)不僅僅集中在壩體中央，在壩體兩側(cè)也出現(xiàn)較高的溫度，而碾壓混凝土壩高溫度區(qū)集中在壩體的中央；Hardfill壩產(chǎn)生的溫度應(yīng)力約為碾壓混凝土重力壩的1/15—1/20，甚至更小，用HardfilI材料建壩可以像土石壩一樣全斷面快速碾壓施工，少設(shè)或不設(shè)伸縮縫，施工效率將大大提高。

(2) 從壩體應(yīng)力來(lái)看，Hardfill壩也具有自己獨(dú)特的特點(diǎn)。Hardfill壩的基本壩體剖面是對(duì)稱的梯形，相對(duì)以直角三角形作為基本剖面的傳統(tǒng)重力壩，其壩體應(yīng)力水平有較大幅度的降低；重力壩和Hardfill壩在壩踵都有局部的拉應(yīng)力集中，但Hardfill壩的壩體內(nèi)應(yīng)力明顯比重力壩應(yīng)力分布均勻。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前，綠色小水電的創(chuàng)建工作正在有序的進(jìn)行，過(guò)去小水電工程大多以發(fā)電為主，現(xiàn)在越來(lái)越多的小水電不僅要發(fā)電、灌溉、供水，還要滿足生態(tài)用水和景觀用水需求。Hardfill材料，生態(tài)、綠色、環(huán)保，就地取材，價(jià)格低廉，施工方便，必將在小水電綠色之路上發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，迎來(lái)較大的發(fā)展。