馬 超，楊依民

(水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

1 概述

面板堆石壩的防滲體系主要包括：面板、趾板、趾板地基的固結(jié)灌漿與帷幕灌漿、周邊縫、板間縫、防浪墻以及防浪墻與面板間的水平縫等。在混凝土面板堆石壩的防滲體系中，周邊縫將面板與趾板及經(jīng)過灌漿處理的基巖連成整體，是面板堆石壩防滲體系中最重要也是最薄弱的部位，是混凝土面板堆石壩防滲體系中對(duì)變形最敏感的部位[1- 3]。

為提高周邊縫的安全指數(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)銅止水的允許變形特性進(jìn)行了較為深入的研究。以往針對(duì)銅止水的研究，模型試驗(yàn)主要針對(duì)給定某一特定剪切位移下，銅止水適應(yīng)剪切變形能力的考察[4- 7]。在實(shí)際情況下，周邊縫不僅承受剪切位移，而且還需要承受張開及沉降位移，并且張開及沉降位移對(duì)周邊縫變形的影響不可忽略。本文針對(duì)周邊縫變形分析的不足，選擇常見的“W”型銅止水，通過模型試驗(yàn)在單向位移、雙向位移以及三向位移下，得到了銅止水所能承受的允許變形，揭示了銅止水在變形過程中的基本規(guī)律。

2 “W”型銅止水及其特性

面板堆石壩周邊縫常采用紫銅片止水，其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的耐腐蝕性及延展性，能承受較高的水頭，防滲可靠，易于加工成型，適應(yīng)變形的應(yīng)力較強(qiáng)。紫銅片在經(jīng)過退火處理后，彈性模量降低，適應(yīng)變形的能力得到提升。退火處理后的紫銅片屈服強(qiáng)度大為降低，延伸率有很大的提高。一般來講，銅止水的銅帶選材應(yīng)選用軟銅，與硬銅相比，軟銅具有較大的延伸率，適應(yīng)變形的能力較好，成型加工時(shí)也不容易損壞[8- 9]。

為能夠承受周邊縫各方向的變形，常將銅止水做成“W”型，其結(jié)構(gòu)樣圖如圖1所示。銅片鼻子尺寸的確定是銅片設(shè)計(jì)中一項(xiàng)很重要的內(nèi)容，它是銅片適應(yīng)接縫變形能力的關(guān)鍵因素。一般來講，銅片鼻子長(zhǎng)度應(yīng)在接縫寬度的基礎(chǔ)上大于接縫的設(shè)計(jì)張開位移值與沉陷位移值之和，并應(yīng)滿足設(shè)計(jì)剪切位移的要求[10]。銅止水常見的鼻子尺寸H/B(高/寬)有50/20和75/30兩種，以50/20最為常見。本研究同時(shí)采用50/20和75/30兩種“W”型銅止水，翼板長(zhǎng)度均為120mm，立腿高度為40mm。

在面板堆石壩中，“W”型銅止水的翼板及立腿澆筑在混凝土中，周邊縫三向位移對(duì)止水結(jié)構(gòu)受力影響不同，張開位移和沉降位移主要引起拉應(yīng)力，剪切位移引起的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，一般為復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)[11]。描述銅止水變形量時(shí)，通常以銅止水鼻子的折曲長(zhǎng)度作為參照，圖1所示的“W”型銅止水的結(jié)構(gòu)的折曲長(zhǎng)度為：

(1)

式中，Ln—折曲長(zhǎng)度，mm；H—鼻高，mm；B—鼻寬,mm。

圖2 位移加載裝置

圖1 “W”型銅止水結(jié)構(gòu)樣圖

3 材料基本參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)中止水銅帶采用安徽省河海銅止水有限責(zé)任公司，并經(jīng)廠家加工為止水結(jié)構(gòu)。止水材料基本參數(shù)見表1，該銅止水帶的化學(xué)成分和物理力學(xué)性能符合DL/T5215—2005《水工建筑物止水帶技術(shù)規(guī)范》[12]和GB/T2059—2017《銅及銅合金帶材》[13]的規(guī)定。

表1 材料力

4 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

4.1 試驗(yàn)裝置

加載平臺(tái)為自行組裝建造，主要由動(dòng)力裝置、梯形導(dǎo)軌以及加載支架組成，按照X、Y、Z三個(gè)方向搭建，每個(gè)方向均通過動(dòng)力裝置單獨(dú)加載，如圖2所示。該加載裝置，可以實(shí)現(xiàn)單一方向的加載，也可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的同時(shí)加載。

結(jié)構(gòu)中位移加載速度由動(dòng)力裝置中的電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，只需要依據(jù)PC機(jī)顯示端記錄時(shí)間與施加力大小的關(guān)系，考慮位移加載速度，即可將力-時(shí)間關(guān)系轉(zhuǎn)化為力-位移的關(guān)系。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)中，位移荷載包括張開位移、沉降位移以及剪切位移，其中，O表示垂直于周邊縫的張開量；S表示面板相對(duì)于趾板的沉降量，方向?yàn)槊姘宓姆ň€方向；T表示平行于周邊縫方向面板相對(duì)于趾板的剪動(dòng)錯(cuò)動(dòng)量[14- 15]。

在試驗(yàn)中兩塊混凝土試塊分別模擬趾板和面板，固定趾板試塊，在面板試塊上施加三個(gè)方向的位移。依照正交分析法，在施加(a，b)位移(a表示沉降位移，b表示張開位移)的情況下分別進(jìn)行了16組試樣的剪切試驗(yàn)，得到了25組有效數(shù)據(jù)。剪切試驗(yàn)結(jié)果見表2—3。

為了更好地表征“W”型銅止水的變形，定義變形量D，表示考慮縫間距B的周邊縫的總變形量。變形量的計(jì)算方法如下：

(2)

式中，S—沉降位移量，mm；O—張開位移量，mm；B—縫間距的原始寬度，mm。

為消除銅止水鼻子尺寸的影響，更好地探究剪切失效位移T與總變形量D之間的關(guān)系，對(duì)T和D進(jìn)行無量綱化處理，即將T和D分別除以折曲長(zhǎng)度Ln，研究T/Ln與D/Ln之間的關(guān)系,擬合結(jié)果如圖3所示。

由擬合結(jié)果看出，剪切失效位移與變形量具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。經(jīng)回歸分析，變形量與剪切失效位移之間關(guān)系均可用下式線型表示，即

表2 W型(75/30)銅止水剪切試驗(yàn)結(jié)果

表3 W型(50/20)銅止水剪切試驗(yàn)結(jié)果

(3)

根據(jù)式(3)，在面板堆石壩的監(jiān)測(cè)中，通過觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，可用于評(píng)價(jià)面板堆石壩周邊縫的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 T/Ln與D/Ln擬合曲線

5 變形特點(diǎn)分析

為探究施加張開位移和沉降位移對(duì)“W”型銅止水的剪切屈曲失穩(wěn)特性的影響，分別提取75/30型和50/20型銅止水在(0，0)、(30，30)及(60，60)三種位移組合下的荷載-剪切位移曲線，繪制荷載—剪切位移關(guān)系如圖4所示。

試驗(yàn)中銅止水中鼻子兩側(cè)緊貼混凝土，在剪切位移較小時(shí)，銅止水鼻子即與兩側(cè)混凝土接觸，在混凝土側(cè)向約束下，荷載明顯增加，銅止水鼻子部分逐漸向內(nèi)卷曲，隨剪切位移的增加，卷曲越嚴(yán)重；由于剪切位移的不斷增加，銅止水產(chǎn)生第一次屈曲失穩(wěn)，荷載下降，銅止水變形達(dá)到第一次平衡，隨著位移增加，荷載逐漸增加，銅止水逐漸產(chǎn)生第二次屈曲失穩(wěn)，此時(shí)荷載產(chǎn)生下降段，銅止水變形趨于穩(wěn)定，隨著剪切位移的增加，荷載增加，銅止水撕裂破壞，荷載迅速下降。

隨著施加位移由(0，0)逐漸增大到(90，90)，銅止水越來越早地出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，第二次屈曲失穩(wěn)越來越不明顯。銅止水變形穩(wěn)定后，荷載隨位移增大迅速增加，直至銅止水撕裂破壞。

對(duì)于尺寸為50/20的銅止水而言，當(dāng)采用(60，60)的進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，銅止水鼻子已基本展平，無屈曲失穩(wěn)階段，隨著位移逐漸增大直至銅止水剪切破壞。

6 影響因素分析

6.1 沉降位移對(duì)剪切失效位移的影響

圖5為銅止水沉降位移與失效位移關(guān)系。如圖5(a)所示，在張開位移分別為0、30mm時(shí)，沉降位移為0mm時(shí)的失效位移分別為62.1、58.65mm，張開位移為90mm時(shí)的失效位移分別為37.95、34.5mm，分別較張開位移為0mm時(shí)減小38.9%、41.2%，相差不大。

這表明，對(duì)于鼻子為某一形式的銅止水，在較小張開位移下，由沉降變化引起的失效位移的減小相差不大；剪切失效位移對(duì)沉降位移不敏感。

6.2 張開位移對(duì)剪切失效位移的影響

圖6為在不同沉降位移情況下，張開位移與失效位移關(guān)系。對(duì)于鼻子尺寸為某一形式的銅止水，沉降—失效位移曲線多呈向下的拋物線，銅止水失效位移對(duì)張開位移較為敏感，隨著張開位移的增加，對(duì)應(yīng)失效位移的減小速率呈增大趨勢(shì)。主要有兩方面原因：①在實(shí)際加載過程中，銅止水鼻子端部所產(chǎn)生的變形量考慮了鼻子本身寬度，而對(duì)于沉降位移，鼻子寬度對(duì)變形量的影響較小。②在剪切過程中，銅止水在達(dá)到其自身抗拉強(qiáng)度之前，需要克服銅止水與混凝土的粘結(jié)力，張開位移使銅止水鼻子部位趨于拉直，有利于銅止水克服粘結(jié)力產(chǎn)生剪切變形。

圖4 銅止水荷載—剪切位移關(guān)系曲線

圖5 銅止水沉降—剪切失效位移關(guān)系

圖6 銅止水張開—剪切失效位移關(guān)系

6.3 結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)剪切失效位移的影響

表4為銅止水剪切試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，明顯看出，不同結(jié)構(gòu)尺寸銅止水剪切失效位移存在明顯差值。結(jié)構(gòu)尺寸為75/30的銅止水比尺寸為50/20的銅止水高18.97mm以上，超過尺寸為50/20的銅止水比例一般位于44%～83%之間。

試驗(yàn)表明，銅止水鼻子部位折曲長(zhǎng)度對(duì)剪切變形能力的影響明顯，銅止水鼻子折曲長(zhǎng)度越長(zhǎng)，銅止水適應(yīng)沉降位移、張開位移、剪切位移的能力越強(qiáng)。

表4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

7 結(jié)論

本文采用自制的加載平臺(tái)，通過模型試驗(yàn)的方法對(duì)“W”型銅止水在張開、沉降、剪切三向位移作用下的變形特性進(jìn)行了研究，得出主要結(jié)論如下：

(1)在模型試驗(yàn)中，對(duì)于尺寸為75/30的銅止水，隨著張開、沉降位移的增加，銅止水表現(xiàn)為由兩次屈曲失穩(wěn)到一次屈曲失穩(wěn)到直接進(jìn)入失效階段的特點(diǎn)；對(duì)于尺寸為50/20的銅止水，銅止水只有一次屈曲失穩(wěn)階段，并隨張開、沉降位移的增大逐漸不明顯，最后直接進(jìn)入失效階段。

(2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立了T/Ln與D/Ln的函數(shù)關(guān)系，可以用來評(píng)價(jià)面板堆石壩周邊縫中銅止水的運(yùn)行狀態(tài)。

(3)通過沉降、張開位移及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)剪切失效位移的影響因素分析，得出剪切失效位移對(duì)沉降位移不敏感；相較于沉降位移，剪切失效位移對(duì)張開位移更敏感；銅止水鼻子折曲長(zhǎng)度越長(zhǎng)，銅止水適應(yīng)沉降位移、張開位移、剪切位移的能力越強(qiáng)。