陳文

云南大唐國(guó)際那蘭水電開發(fā)有限公司 云南紅河州 654000

1 面板堆石壩施工概述

一般地，混凝土面板堆石壩施工主要包括壩基開挖、趾板施工、壩料開采、運(yùn)輸、填筑、碾壓、面板混凝土澆筑等幾大工序，每道工序都有適合自身特點(diǎn)的施工要點(diǎn)及難點(diǎn)，必須認(rèn)真研究，找出解決問題的辦法，確保面板堆石壩順利實(shí)施。由于面板堆石壩施工受氣候影響較大、技術(shù)難度高，一般現(xiàn)場(chǎng)工作面狹窄，施工協(xié)調(diào)難度大，因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工組織、施工管理能力提出了較高要求。

2 面板擠壓破壞處理措施

2.1 面板破壞處理方法歸結(jié)

綜合國(guó)內(nèi)外筑壩經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)目前對(duì)面板擠壓破壞的認(rèn)識(shí)，防止高面板堆石壩擠壓破壞的措施主要包括兩個(gè)方面：一是控制壩體堆石的變形；二是提高面板適應(yīng)變形、抵抗壓應(yīng)力的能力。

對(duì)于第一個(gè)方面壩體總體變形主要通過合理分區(qū)、選擇堆石材料、預(yù)留沉降、改善堆石壓實(shí)等進(jìn)行控制。特別是300m超高面板堆石壩更應(yīng)重視預(yù)留沉降期等安排[1]。

對(duì)于第二個(gè)方面，主要措施有：改進(jìn)面板壓性縱縫設(shè)計(jì)，在河床段面板縱縫之間，填入一定厚度的可變形材料以吸收壩軸向的變形，釋放河床段面板積聚的應(yīng)變能；適當(dāng)增大河床段面板頂部面板的厚度，增大面板承壓面積等。

2.2 基于有限元的面板接縫處理措施

針對(duì)面板壓性垂直縫，按有縫寬設(shè)計(jì)，同時(shí)在縫內(nèi)設(shè)置塑性填料，使其具有吸收變形能力，以減免面板擠壓破壞的可能。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，混凝土面板的分塊寬度一般為12-16m，河床中部面板較寬，兩岸面板較窄，面板頂厚30-60cm。建立面板-垂直縫-堆石體三維子結(jié)構(gòu)模型，模型采用兩塊面板拼接，每塊面板寬16m，長(zhǎng)度為32m，厚度為0.6m，墊層料厚度為8m。在數(shù)值計(jì)算分析中，混凝土面板采用線彈性模型，彈性模量E為30GPa，泊松比為0.2，容重為25kN/m3；墊層料等堆石體采用國(guó)內(nèi)在計(jì)算土石壩、堆石壩等巖土工程問題時(shí)廣泛采用的Druck-er-Prager彈塑性模型，在ANSYS中通過DP材料來實(shí)現(xiàn)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 面板應(yīng)力應(yīng)變分析

基于所建立的局部子結(jié)構(gòu)模型，按方案一首先對(duì)面板垂直縫有無填縫材料的情況進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)非線性接觸理論，該模型需考慮不同縫寬和填料模量—壓縮位移的關(guān)系。在目前的計(jì)算模型中，考慮了填縫材料在狹窄面板接觸垂直縫中受到強(qiáng)制位移約束條件的限制可能表現(xiàn)出的硬化特征，在小壓縮位移情況下，垂直縫處取填縫材料彈性模量E1進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)壓縮位移超過一定量值后（目前取0.5倍初始縫寬），垂直縫處取面板混凝土彈性模量E2進(jìn)行計(jì)算。

給定的模型參數(shù)為：E1=1100MPa，填料寬度d=12mm，E2=30GPa。施加的側(cè)向強(qiáng)制位移和法向分布力不變，模擬面板子結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況。在面板接縫處沒有填縫材料的情況下，接縫面沿壩軸向位移平均約為1.1mm；且接縫處出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，截面上最大擠壓應(yīng)力為27MPa。在面板接縫處有填縫材料的情況下，面板壩軸向的相向位移明顯增大，部分縫面相向位移超過了0.5倍初始縫寬，發(fā)生了相互貫入，且頂部貫入量最大，最大值約為11.6mm，意味著縫面下部會(huì)出現(xiàn)脫開；可見填縫材料使接縫保留一定的變形能力，吸收了大量的擠壓位移?？p面最大擠壓應(yīng)力為8MPa，數(shù)值上明顯減小[2]。

3.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

方案一保持作用在面板表面法向分布力不變，在墊層料側(cè)向逐漸增加擠壓位移，帶動(dòng)面板發(fā)生擠壓，模擬面板受擠壓變形；然后保持?jǐn)D壓位移不變，改變面板表面法向壓力值，模擬不同水深對(duì)面板造成的壓力。

可知，在兩塊面板應(yīng)力集中的垂直縫處，節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力隨墊層料側(cè)向擠壓位移和面板表面法向分布力的增大呈線性增長(zhǎng)；垂直縫中設(shè)置厚度足夠的彈性襯墊材料后，縫面擠壓位移明顯增大，兩曲線間距離較大?？梢?，襯墊材料可吸收相應(yīng)的擠壓位移，并使面板在法向力作用下適應(yīng)變形的能力增強(qiáng)，從而使面板的擠壓應(yīng)力顯著降低，防止混凝土發(fā)生擠壓破壞。在擠壓位移處于0.5倍初始縫寬之前，由于填縫材料尚未達(dá)到硬化比例，墊層料側(cè)向位移基本被軟縫所吸收，最大擠壓應(yīng)力增長(zhǎng)不大；而在之后，填縫材料已完全硬化，達(dá)到了壓縮極限，接縫面上部?jī)蓧K面板抵觸摩擦，故擠壓位移受側(cè)向位移的影響不明顯，而最大擠壓應(yīng)力隨側(cè)向位移增加至22.6MPa。在面板法向分布力達(dá)600kPa時(shí)，填縫材料達(dá)到硬化比例的臨界狀態(tài)，同擠壓位移處于0.5倍縫寬時(shí)一樣[3]。

方案二在垂直縫處用3種不同模量的材料填縫，模擬不同的襯墊材料。使用鋼度越小的柔性填料在極限范圍內(nèi)可吸收更多的擠壓位移，但隨墊層料側(cè)向位移和面板法向分布力的增加，接縫處擠壓位移相對(duì)剛度較大填料增長(zhǎng)較快。由于柔性材料要吸收一定的擠壓位移后才發(fā)生硬化，因此在其極限范圍內(nèi)接縫面最大擠壓應(yīng)力增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，達(dá)到壓縮變形極限后，接縫處壩軸向相向位移超過0.5倍初始縫寬，面板后續(xù)的擠壓應(yīng)力增長(zhǎng)較快，而軸向變形逐漸變小。鋼度較大的填料則不容易發(fā)生變形，隨著墊層料側(cè)向位移和面板法向分布力的增大，相對(duì)于柔性填料其不容易達(dá)到壓縮極限而發(fā)生硬化。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)面板堆石壩面板擠壓破壞的機(jī)理，通過控制變量的方法，進(jìn)一步研究了其適合的止水結(jié)構(gòu)尺寸與填縫材料要求，得到了填縫材料對(duì)面板應(yīng)力應(yīng)變的具體影響，并給出了工程建議措施。研究成果可為已發(fā)生面板擠壓破壞的高面板堆石壩工程的修復(fù)處理及新建高面板堆石壩的預(yù)防措施設(shè)計(jì)等提供參考。