王麗秋

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110006)

寒區(qū)混凝土重力壩普遍面臨著壩內(nèi)孔隙水凍融循環(huán)問題，溫度<0℃時(shí)孔隙水結(jié)冰，體積明顯膨脹并產(chǎn)生較大的凍脹應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力水平超過壩體結(jié)構(gòu)的臨界應(yīng)力時(shí)，混凝土出現(xiàn)凍脹裂縫并產(chǎn)生新的滲流通道；溫度升高時(shí)，結(jié)冰孔隙水融化并沿裂縫滲流，進(jìn)一步增加了壩體的滲透壓力，長期以往壩體勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)凍融破壞[1-4]。

針對(duì)混凝土重力壩凍融循環(huán)問題，國內(nèi)諸多學(xué)者開展了大量的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，如劉丹丹等[5]利用正交試驗(yàn)法探討了混凝土的抗凍性，即水灰比越大抗凍性越差，凍融環(huán)境下的最優(yōu)水灰比為0.25；齊檸等[6]采用軸心受壓試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)研究了21組混凝土試塊，發(fā)現(xiàn)混凝土動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大逐漸減??；杜俊鵬等[7]對(duì)不同凍融次數(shù)下的混凝土壩體利用ANSYS有限元軟件模擬分析，結(jié)果顯示壩體位移隨運(yùn)行年限和凍融次數(shù)的增大而增加；杜曉奇等[8]通過PFC數(shù)值模擬和凍融循環(huán)三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融次數(shù)越大則碾壓混凝土的宏觀力學(xué)性能越差，為改善碾壓混凝土抗凍性應(yīng)采取提高混凝土界面過渡區(qū)強(qiáng)度；于賀等[9]采取數(shù)值模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用下混凝土熱應(yīng)力和最大損傷多分布于壩體下游面，該部位易出現(xiàn)拉裂縫。實(shí)際上，混凝土試件與混凝土重力壩的抗凍性有較大差異，以上研究在分析壩體應(yīng)力與變形時(shí)較少考慮滲流對(duì)壩體的影響[10]。鑒于此，文章利用有限元法搭建三維數(shù)值模型，通過耦合計(jì)算凍融循環(huán)下混凝土重力壩的滲流-應(yīng)力，深入探討了凍融循環(huán)次數(shù)與壩體應(yīng)力、變形之間的作用關(guān)系，旨在為重力壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)提供一定理論參考。

1 研究方法

借鑒凍融損傷本構(gòu)的研究成果[11-12]，確定凍融循環(huán)下混凝土的泊松比和彈性模量變化規(guī)律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

En=E0-(1-pN)k

(2)

式中：vn、v0為經(jīng)多次凍融循環(huán)和初始的混凝土泊松比；En、E0為經(jīng)多次凍融循環(huán)和初始的混凝土彈性模量；N為凍融次數(shù)；p、q、k、n為試驗(yàn)參數(shù)。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定vn=0.165+0.0028N、En=30×(1-0.00612N)。

此外，混凝土重力壩還受到溫度變化、水滲透壓力和凍融荷載等外界因素的影響，所以應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有顯著彈塑性，混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系線，見圖1。其中，ε1、εft為經(jīng)多次凍融循環(huán)后的剩余壓(拉)應(yīng)變和極限拉(壓)應(yīng)變；σ1、σ2為經(jīng)多次凍融循環(huán)后的剩余壓(拉)應(yīng)力和極限拉(壓)應(yīng)力。

a.拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線 b.壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

2 混凝土重力壩體應(yīng)力與應(yīng)變

2.1 工程概況

觀音閣水庫是采用碾壓混凝土(RCD)筑壩技術(shù)的一等樞紐工程，水庫位于大凌河干流，與下游葠窩水庫共同構(gòu)成梯級(jí)開發(fā)，控制流域范圍2 795km2，總庫容21.68億m3。水庫樞紐的主要任務(wù)是以工業(yè)、城市供水和防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚等。水庫建成后本溪市、遼陽市的防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到500a一遇，配合太子河堤防整修農(nóng)田防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50a一遇。水庫大壩按設(shè)計(jì)任務(wù)要求，主要可分為電站、底孔、溢流和擋水壩段。

攔河壩共分為65個(gè)壩段，壩頂總長1040m，除4#、5#、7#、9#壩段外，其余壩段均為16m寬。擋水壩段最大壩高82m，壩頂寬10m，壩底最寬處61.30m，共分為48個(gè)壩段，15#-27#為溢流壩段，設(shè)12個(gè)溢流孔，每孔凈寬12m，堰頂高程2552.2m，并設(shè)12×9m弧形鋼閘門，最大底寬74m，閘后采用挑流消能。13#、14#壩段內(nèi)各設(shè)放水底孔一個(gè)，進(jìn)口設(shè)檢修閘門(4×6m)，出口設(shè)鋼閘門(4×5m)，挑流效能。8#、9#電站壩段設(shè)3條間距8m、直徑2.2m的引水鋼管，壩后建電站廠房，主廠房為12.12m×36.74m。裝有3臺(tái)6,500kW和1臺(tái)1,250kW水輪發(fā)電機(jī)組，電站總裝機(jī)容量為2.075萬kW。

2.2 有限元應(yīng)力-滲流計(jì)算

采用MIDAS GTS NX有限元軟件創(chuàng)建混凝土壩體和壩基M-C本構(gòu)模型，數(shù)值模型單位寬度為1m，應(yīng)用軟件自帶模塊完成穩(wěn)態(tài)滲流分析，其流動(dòng)方程為：

(3)

(4)

式中：nx、ny、nz為x、y、z方向上邊界表面外法向的方向余弦。穩(wěn)定流中流出和流入量不隨時(shí)間發(fā)生改變，所以公式(3)又可改寫成以下形式：

(5)

周圍存在水頭差是驅(qū)動(dòng)地下水滲流的動(dòng)力，滲流發(fā)生時(shí)巖土與水體形成相互作用，產(chǎn)生相應(yīng)的滲透壓力。因此，對(duì)于巖土所受的孔隙水壓力可以利用MIDAS GTS NX軟件自帶的滲流模塊進(jìn)行計(jì)算分析，材料的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。耦合計(jì)算滲流應(yīng)力的表達(dá)式為：

(6)

式中：v、E為材料的泊松比和彈性模量。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 壩體凍融區(qū)分析

實(shí)踐表明，溫度達(dá)到0℃以下和壩體內(nèi)部達(dá)到充水飽和是壩體發(fā)生凍融破壞的兩個(gè)必要條件[13]。因此，必須先對(duì)正常條件下的壩體滲流，即壩體浸潤線進(jìn)行計(jì)算，從而確定凍融循環(huán)損傷區(qū)即為壩體浸潤線以下區(qū)域[14]。

根據(jù)重力壩壩體應(yīng)力、孔隙水壓力和總水頭等值線云圖，連接孔隙水壓力為零的點(diǎn)繪制壩體浸潤線，壩體損傷圖，見圖2?？紤]到數(shù)據(jù)可獲取性和計(jì)算精準(zhǔn)度，擬將高度在15m以下的壩體混凝土及上游迎水面壩頂5m以下的防滲混凝土作為凍融損傷區(qū)。

圖2 壩體損傷圖

2.4 壩體應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系

將折減后的泊松比和彈性模量輸入有限元模型，經(jīng)有限元模擬揭示壩頂橫向和豎向位移變化規(guī)律，壩頂位移與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖，見圖3。從圖3可以看出，壩頂豎向位移隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加未發(fā)生明顯改變，但壩頂橫向位移隨循環(huán)次數(shù)不斷增加緩慢增大，特別是達(dá)到120次凍融循環(huán)后壩頂橫向位移急劇增加。

圖3 壩頂位移與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖

壩體監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖，見圖4。從圖4可以看出，壩體底部和壩踵處的最大拉應(yīng)力隨凍融次數(shù)的增加逐漸增大，而壩體迎水面最大拉應(yīng)力隨凍融次數(shù)的增加不斷減小。經(jīng)歷120次凍融循環(huán)后，沿非凍融區(qū)和凍融區(qū)接觸面壩體出現(xiàn)向下游的滑移破壞，并且迎水面混凝土在壩體向下游滑移作用下發(fā)生了塑性變形。單位防滲混凝土所承受的最大拉應(yīng)力明顯下降，此時(shí)壩體依靠壩基、壩地與壩踵的相互作用維持穩(wěn)定，所以壩體底部和壩踵處的拉應(yīng)力會(huì)急劇上升[15-19]。

圖4 壩體監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖

3 結(jié) 論

文章以觀音閣水庫為例，利用有限元法模擬分析了凍融作用下的混凝土重力壩壩體應(yīng)力與變形的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

1)壩頂豎向位移隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加未發(fā)生明顯改變，但壩頂橫向位移隨循環(huán)次數(shù)不斷增加緩慢增大，特別是達(dá)到凍融循環(huán)界限值后壩頂橫向位移急劇增加。

2)壩體底部和壩踵處的最大拉應(yīng)力隨凍融次數(shù)的增加逐漸增大，而壩體迎水面最大拉應(yīng)力隨凍融次數(shù)的增加不斷減小。當(dāng)達(dá)到某一界限值時(shí)，壩體將沿非凍融區(qū)和凍融區(qū)接觸面出現(xiàn)向下游的滑移破壞，導(dǎo)致壩體底部和壩踵處的拉應(yīng)力急劇上升。

3)總體而言，通過凍融分析能夠提前預(yù)測壩體出現(xiàn)滑移的區(qū)域，為提高凍融循環(huán)區(qū)混凝土抗凍性可以采取摻入外加劑、優(yōu)化混凝土配合比等措施，對(duì)提高壩體身體穩(wěn)定性和延長結(jié)構(gòu)整體使用壽命具有積極作用。