周曉玉

(凌源市水務(wù)局， 遼寧 朝陽 122500)

1 工程背景

關(guān)門山水庫是一座以防洪和供水為主，兼有養(yǎng)殖和旅游等諸多功能的中型水庫。水庫壩址以上控制流域面積176.77 km2，正常蓄水位172.0m，總庫容7 661萬m3，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)2000年一遇。水庫主要建筑物包括大壩、河岸式溢洪道、泄洪輸水洞等，工程等別為Ⅲ等，永久性水工建筑物級別為3級。其中，水庫大壩為混凝土面板堆石壩壩型設(shè)計，大壩壩頂高程321m，寬度10m，壩軸線長度354.5m，最大壩高68m。大壩上游壩坡坡度為1∶1.4，下游壩坡第一級坡度為1∶1.4，其余各級坡度為1∶1.3，在下游壩坡布置由寬度為10m的8層上壩道路。壩體分為上游鋪蓋區(qū)、蓋重區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、上游堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、下游護(hù)坡和混凝土面板。壩基巖性以中厚層變質(zhì)砂巖為主，局部夾中薄層砂質(zhì)板巖，各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)滿足壩基要求。混凝土面板施工安排在5—6月進(jìn)行，其最大施工長度為121.5m。

混凝土面板是面板堆石壩的壩體防滲結(jié)構(gòu)，屬于一塊長條形的薄板，抗拉強(qiáng)度明顯偏低，極易產(chǎn)生裂縫[1]。在施工初期，由于面板內(nèi)部的溫度急劇上升，并發(fā)生熱膨脹變形，后期隨著水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不斷減少，面板溫度逐步降低并發(fā)生收縮變形，如果收縮力大于面板混凝土的抗拉極限，就會產(chǎn)生裂縫[2]。相關(guān)研究和工程實(shí)踐顯示，溫度應(yīng)力是混凝土面板早期裂縫產(chǎn)生的根本原因[3]。因此，展開溫度裂縫內(nèi)在機(jī)理和防控措施研究具有重要的理論意義和實(shí)踐價值?；诖耍敬窝芯恳躁P(guān)門山水庫混凝土面板堆石壩為例，以數(shù)值模擬的方式對面板防裂措施進(jìn)行對比研究，以便為工程設(shè)計和施工提供必要的支持和借鑒。

2 面板防裂方案設(shè)計

根據(jù)相關(guān)研究和工程經(jīng)驗(yàn)，混凝土面板堆石壩面板開裂主要集中在面板澆筑的初期，主要原因是溫度和干縮產(chǎn)生的應(yīng)力[4]。因此，在減少混凝土面板開裂，提高面板安全性方面，主要采取保溫、配筋和墊層措施[5]。結(jié)合關(guān)門山水庫大壩的工程實(shí)際，并充分考慮工程的經(jīng)濟(jì)性，初步提出如下3種開裂防控方案。

方案1：大壩混凝土面板的施工時間為5—6月，混凝土的澆筑溫度為6 ℃，采用厚度為8 cm的聚乙烯泡沫塑料保溫板，混凝土面板不采用配筋措施，減少與墊層的約束，同時澆筑施工分2次進(jìn)行。

方案2：大壩混凝土面板的施工時間為5—6月，混凝土的澆筑溫度為6 ℃，采用厚度為8 cm的聚乙烯泡沫塑料保溫板，混凝土面板不采用配筋措施，條件微膨脹劑，減少與墊層的約束，澆筑施工1次進(jìn)行。

方案3：大壩混凝土面板的施工時間為5—6月，混凝土的澆筑溫度為10 ℃，采用厚度為8 cm的聚乙烯泡沫塑料保溫板，混凝土面板不采用配筋措施，條件微膨脹劑，減少與墊層的約束，澆筑施工1次進(jìn)行。

3 有限元計算模型

3.1 模型的構(gòu)建

在有限元模型的構(gòu)建過程中，根據(jù)關(guān)門山水庫大壩的橫剖面，有限元模型取其中某塊面板的整個剖面，厚度為沿大壩壩軸線方向延伸12m，地基的計算范圍為上游和下游方向分別延伸1倍壩高，為80m，沿地基深度方向也延伸1倍壩高，為80m。

計算模型的坐標(biāo)原點(diǎn)在壩體橫破面的中軸線部位，以順河向指向下游的方向?yàn)閄軸正方向，以壩軸線方向指向右岸的方向?yàn)閅軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向。

模型的溫度場邊界條件為基巖4個側(cè)面以及壩體Y軸2個側(cè)面設(shè)置為絕熱邊界，基巖的上表面、混凝土面板以及壩體的下游面為第三類邊界條件[6]；對壩基底面為全位移約束，側(cè)面為簡支約束條件，其余邊界為自由邊界條件[7]。對構(gòu)建的模型采用DC3D8單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共獲得5459個計算單元，6763個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。模型的有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

3.2 模型材料參數(shù)

在有限元模擬計算過程中，模型材料的參數(shù)對計算結(jié)果存在顯著影響。在此次研究中，結(jié)合相關(guān)工程規(guī)范中的規(guī)定和背景工程的實(shí)際，采用的模型材料參數(shù)[8]見表1。

表1 模型材料參數(shù)

4 計算結(jié)果與分析

4.1 方案1計算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的有限元計算模型，對方案1條件下混凝土面板施工期的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬計算。從計算結(jié)果中提取主要時間節(jié)點(diǎn)的壩坡向應(yīng)力和第一主應(yīng)力值的最大值，結(jié)果見表2。由表2中的結(jié)果可以看出，在混凝土面板的施工期，壩坡向應(yīng)力的最大值呈現(xiàn)出先減小、后增大、最后趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，穩(wěn)定后的壩坡向應(yīng)力最大值為1.08MPa左右；混凝土面板的第一主應(yīng)力呈現(xiàn)出先緩慢增加、后迅速增加、最終趨于平穩(wěn)的變化特點(diǎn)，穩(wěn)定后的第一主應(yīng)力最大值約為1.09MPa。從壩坡向應(yīng)力和第一主應(yīng)力最大值的計算結(jié)果來看，在施工過程中各個節(jié)點(diǎn)的最大值均小于面板混凝土材料的允許抗拉強(qiáng)度，最終差值為0.8MPa左右?？紤]到施工中疊加寒潮以及面板混凝土澆筑過程中溫升因素造成的約0.75MPa的應(yīng)力增量，仍可以保證施工過程中的應(yīng)力值小于允許值，基本可以避免面板混凝土施工中的裂縫出現(xiàn)。

表2 方案1應(yīng)力最大值計算結(jié)果

4.2 方案2計算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的有限元計算模型，對方案2條件下混凝土面板施工期的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬計算。從計算結(jié)果中提取主要時間節(jié)點(diǎn)的壩坡向應(yīng)力和第一主應(yīng)力值的最大值，結(jié)果見表3。由表3中的結(jié)果可以看出，在混凝土面板的施工期，壩坡向應(yīng)力的最大值呈現(xiàn)出先減小、后增大、最后趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，穩(wěn)定后的壩坡向應(yīng)力最大值為0.82MPa左右；混凝土面板的第一主應(yīng)力呈現(xiàn)出先波動變小、后緩慢增大、最終趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，穩(wěn)定后的第一主應(yīng)力最大值約為0.73MPa。從壩坡向應(yīng)力和第一主應(yīng)力最大值的計算結(jié)果來看，在施工過程中各個節(jié)點(diǎn)的最大值均小于面板混凝土材料的允許抗拉強(qiáng)度，最終差值為1.0MPa左右?？紤]到施工中疊加寒潮以及面板混凝土澆筑過程中溫升因素造成的約0.75MPa的應(yīng)力增量，仍可以保證施工過程中的應(yīng)力值小于允許值，且存在一定的冗余，可以避免面板混凝土施工中的裂縫出現(xiàn)。

表3 方案2應(yīng)力最大值計算結(jié)果

4.3 方案3計算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的有限元計算模型，對方案3條件下混凝土面板施工期的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬計算。從計算結(jié)果中提取主要時間節(jié)點(diǎn)的壩坡向應(yīng)力和第一主應(yīng)力值的最大值，結(jié)果見表4。由表4中的結(jié)果可以看出，在混凝土面板的施工期，壩坡向應(yīng)力的最大值呈現(xiàn)出先減小、后增大、最后趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，穩(wěn)定后的壩坡向應(yīng)力最大值為1.21MPa左右；混凝土面板的第一主應(yīng)力也呈現(xiàn)出類似的變化特點(diǎn)，穩(wěn)定后的第一主應(yīng)力最大值約為1.22MPa。從壩坡向應(yīng)力和第一主應(yīng)力最大值的計算結(jié)果來看，在施工過程中各個節(jié)點(diǎn)的最大值均小于面板混凝土材料的允許抗拉強(qiáng)度，最終差值為0.6MPa左右?？紤]到施工中疊加寒潮以及面板混凝土澆筑過程中溫升因素造成的約0.75MPa的應(yīng)力增量，施工過程中可能出現(xiàn)混凝土面板應(yīng)力值略大與混凝土材料抗拉允許值的情況，不利于施工過程中面板裂縫的控制。

表4 方案3應(yīng)力最大值計算結(jié)果

5 結(jié)論

此次研究以關(guān)門山水庫大壩為例，利用數(shù)值模擬的方式對大壩混凝土面板裂縫防控方案進(jìn)行對比分析，并得出如下主要結(jié)論：

(1)方案1和方案2均可以保證施工過程中混凝土面板應(yīng)力值小于混凝土材料的抗拉允許值，可以避免面板混凝土施工中的裂縫出現(xiàn)。

(2)方案3施工過程中可能出現(xiàn)混凝土面板應(yīng)力值略大與混凝土材料抗拉允許值的情況，不利于施工過程中面板裂縫的控制。

(3)方案1和方案2相比，方案2的應(yīng)力值計算結(jié)果較小，更有利于施工過程中的裂縫防控，建議在工程設(shè)計中選用。