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坝下岩埂对混凝土防渗面板应力应变性状的影响1凤不群1，马品非2（1.新疆兵团勘测设计院有限责任公司，新疆乌鲁木齐830052；2.塔城地区水利水电勘测设计院，新疆塔城834700）摘要：混凝土面板堆石坝靠近岸坡坝段受地形影响，可能会坐落在岩埂上，这将影响到面板的应力应变性状，将导致面板的开裂而失去防渗功能。通过玛热勒苏混凝土面板堆石坝的有限元分析计算，重点研究在蓄水条件下，坝下岩埂不同的处理方案对面板应力应变性状的影响，获得了不同岩埂开挖形态条件下的应力应变计算结果。计算结果表明，受岩埂开挖形态的影响，各开挖处理方案中，混凝土面板内的压应力均能满足强度要求，若岩埂完全保留在坝体内部时，面板中的拉应力则超过混凝土的抗拉强度，导致面板被拉裂而失去防渗功能。岩埂清除范围将直接涉及到坝基开挖与坝体填筑工程量，影响到工程造价。研究成果为大坝优化设计提出了合理的建议及岩埂处理的有效措施。关键词：岩埂，混凝土面板堆石坝，应力应变1工程概况玛热勒苏水库位于额敏县境内的马拉苏河上，工程由大坝、放水隧洞、导流冲砂隧洞、溢洪洞四部分组成，总库容为3254×104m3。大坝最大坝高为79m，坝顶宽8.0m，坝顶全长250m，上游坝坡为1:1.6，下游坝坡为1:1.4，坝顶设防浪墙。该水库属Ⅲ等中型工程，坝高超过70m，大坝级别提高一级，为2级设计，永久性主要建筑物溢洪洞、导流冲砂隧洞、放水隧洞级别为3级，次要建筑物和临时建筑物级别均为4级。设计洪水标准为50年一遇，洪峰流量为271m3/s，经水库调蓄削峰后，溢洪洞最大下泄流量218.12m3/s；校核洪水标准为1000年一遇，洪峰流量为577m3/s，经水库调蓄削峰后，溢洪洞最大下泄流量465.42m3/s。该大坝0+150剖面位于岸坡处，坝体下部有一岩埂分布（见图1），使坝体填筑坝料厚度变化不均，这对位于其上的具有一定刚度的混凝土面板应力条件极为不利，有可能导致面板产生结构性断裂裂缝，失去防渗功能。本文通过二维有限元分析，重点研究在蓄水条件下，该剖面坝下岩埂不同的处理方案对面板应力应性状的影响。1作者简介：凤不群（1990-），男，助理工程师，研究方向为当地材料坝，E-mail：250897573@qq.com2图10+150剖面2计算模型2.1坝体和坝基材料的本构模型坝体及坝基砂砾石坝料应力应变关系的模型选择合理与否，直接关系到对坝体工作性状评估准确性。大量的研究表明砂砾石坝料的变形，不仅随剪应力水平而变化，也与加载应力路径密切相关，应力应变关系表现出典型的非线性特性，目前国内外均通过坝料的三轴试验的剪应力与轴应变的关系来反映材料的非线性性质，比较多的选用邓肯-张模型，也有一些工程采用南水模型。研究发现邓肯-张模型的变形计算结果的数值较南水模型偏大。本文采用邓肯-张的E~μ模型对混凝土面板堆石坝进行有限元分析。2.2混凝土面板、趾板的计算模型混凝土面板、趾板和基岩等刚性结构物的材料一律采用线弹模型进行应力应变分析。2.3接触的计算分析模型在面板堆石坝的结构中，存在刚性的混凝土面板与散粒体堆石之间的相互作用的接触面，在坝体自重和水荷载作用下，面板与堆石体之间将产生摩擦接触，并通过这种接触实现剪应力的传递，这是面板与堆石体之间最重要的接触。在面板堆石坝的应力应变计算分析中，对坝体及坝基结构中存在各类不同材料的接触面(包括面板与垫层、趾板与地基等)均需正确的模拟，由于接触面两侧材料性质相差悬殊，在外力作用下，通常都会表现出与连续体不同的剪切滑移、脱开分离等特殊的变形特征，因此，在计算分析中需要采用特殊的单元来加以模拟，以准确、真实的反映坝体各部位相互作用的特性。常用的代表性的接触面单元主要有Goodman无厚度接触面单元、Desai薄层单元及接触摩擦单元等。从实际工程3的观测和室内的试验中均可发现，在两种材料性质相差悬殊的介质之间，一般都会在材料性质相对较弱的一面形成一个薄层的“剪切带”，因此，近年来的研究表明对这一“剪切带”采用薄层接触面单元来模拟，可能会更接近实际，国内多家研究单位提出了采用薄层单元的模型。在本次的计算分析中，对面板与垫层相互作用采用Goodman无厚度接触面单元来模拟。2.4混凝土结构物接缝的计算分析模型混凝土面板堆石坝，面板之间、面板与趾板之间均存在各种类型不同的接缝，如板间缝、周边缝等。接缝的变形是由于其下部的堆石体和坝基材料的变形所引起的，接缝变形的量值直接关系到大坝防渗系统的可靠性。目前面板坝的接缝通过止水结构来实现防渗，包括设在接缝底部的金属止水和顶部的柔性填料止水等，有些工程还补以设在外部的无粘性自愈淤堵填料止水。一般意义上讲，这些止水材料对接缝的变形不起任何约束作用，它仅仅是随接缝变形而变形，当接缝受压时，接缝的止水不会失效；当接缝张开、沉降和剪切位移超过了止水材料的允许值时，止水将失效导致面板坝产生渗漏。因此，在创建接缝模型时可以完全不考虑止水材料对接缝变形的影响，接缝变形的特性主要取决于坝体、坝基及接缝两侧的结构材料的应力应变特性，这样可以将接缝两侧缝面视为完全独立的缝面而无任何联系，缝面的变形取决于坝体及坝基的变形和缝面所属结构的变形。将接缝两侧缝面完全分离开为独立界面，剖分成有限厚度的单元，当接缝呈受拉趋势时，缝节点分离，两缝节点各自随接缝两边的结构单元而产生位移；当接缝受压时，缝节点重合。通过这样设置后，可以较好的模拟接缝的拉、压变形，但对剪切变形特性则反映不够充分，然而人们更关注的是接缝的拉伸变形。通过计算两侧缝面上结点的各方向上位移差，依据各位移值的量级和止水材料的允许拉伸、和剪切值，判断接缝止水的工作性状，就可评价面板坝防渗的可靠性。本次研究就是基于这一模型进行的，将这一模型称之为“分离缝模型”。3大坝（0+150）剖面二维有限元静力分析采用邓肯-张E~μ本构模型对马热勒苏混凝土面板堆石坝进行平面应力应变有限元静力分析，重点研究坝体、面板的工作性状。43.1大坝岩埂处理方案根据设计所提供的典型剖面图纸可知：0+040剖面位于岸坡处，坝体下部有一岩埂分布，使坝体填筑坝料厚度变化不均，这对位于其上的具有一定刚度的混凝土面板应力条件极为不利，有可能导致面板产生结构性断裂裂缝，失去防渗功能。为此，特拟定三个方案研究面板的位移与应力性状，以评价岩埂对面板的影响和改进措施。第一方案：即原设计方案，如图2所示。第二方案：将坝体内岩埂上部削去22m，换填为坝料，使面板下坝体变形较为均匀，降低这部分坝体变形梯度，改善面板受力条件，见图3。从施工的角度看，这一方案开挖和坝体填筑工程量均较大，也增加了工程的投资。第三方案：将坝体内岩埂上部削去10m，并将岩埂上游平行面板方进行削坡，保证垂直面板方向下填土厚度有11m，同时，将岩埂顶部削成直径10m的圆弧状。换填为坝料后，使面板下坝体变形较为均匀，降低这部分坝体变形梯度，改善面板受力条件。见图4。3.2大坝计算单元剖分坐标系竖向为Z轴，顺河向为Y轴。计算边界上下游方向取1.5倍坝高，坝基基岩取1倍坝高。基岩底部为不可移动边界，两侧边界上竖向可移动，水平向全约束。大坝有限元网格采用四边形单元，在面板和垫层料之间设置薄层面单元；在面板与趾板间的周边缝内设置分离缝单元。各方案有限元网格剖分如图3-1~3-3。图2第一方案单元剖分图（结点数：4967，单元数：4811）图3第二方案单元剖分图（结点数：4967，单元数：4811）5图4第三方案单元剖分图（结点数：5650，单元数：4911）图5第三方案单元剖分图（结点数：5650，单元数：4911）3.3坝体填筑与蓄水加载分级采用平面有限元模拟坝体填筑过程和蓄水过程，坝基砂砾石作为已存在部分（只具有初始应力）。坝体填筑分为8级加载，蓄水分为3级加载，蓄水至最高水位，水压力以面力的形式作用在混凝土防渗面板上。本研究计算分为竣工期和满蓄期两种工况。3.4大坝材料计算参数马热勒苏大坝筑坝材料及坝基材料通过大型三轴试验，直接取得非线性计算参数。坝体各材料的计算参数汇总于表4-1。表4-1马热勒苏混凝土面板砂砾石坝计算参数坝料γ(g/cm3)KnRfC(kpa)φGFDKnrnur主堆石2.209300.350.7412642.80.380.234.118600.35垫层料2.208700.310.7785.042.40.440.212.6017400.31薄层单元2.18623-0.240.508428.8混凝土2.40E=22500μ=0.20基岩2.43E=25000μ=0.214大坝二维有限元静力成果与分析4.1满蓄期坝体的位移6方案一方案二方案三图6满蓄期坝体沉降方案一方案二方案三图7满蓄期坝体水平位移图6、图7和表2分别给出了满蓄期坝下岩埂各处理方案坝体位移分布和量值。位移计算成果表明：三个方案对坝体沉降和向下游水平位移影响不大，但由于第一方案中有岩埂的存在，限制了坝体向上游产生位移，故其水平位移值较低，仅为其它两方案的25%；随岩坎的削除降低，减少了岩坎对坝体的约束，坝体向上游的水平也随之增大。表2满蓄期面板应力与位移分析成果统计计算方案方案一方案二方案三坝体沉降位移cm20.3221.2123.32水平位移cm向上游0.574.235.43向下游5.845.535.42面板挠度cm3.412.983.22顺坡向最大位移cm0.551.10.88大主应力MPa最大值4.712.982.59最小值0.0026-0.0056-0.0031小主应力MPa最大值-4.27-3.87-4.37最小值-0.0094-0.007-0.008顺坡向应力MPa最大值2.452.622.41最小值-1.89-3.73-3.58注：应力符号“+”为拉应力，不进行符号标记；“-”为压应力。4.2面板的位移与应力1面板的挠度图8、图9分别给出了三个方案面板的挠曲线和面板法向位移矢量图。方案一方案二方案三图8满蓄期面板挠度7方案一方案二方案三图9满蓄期面板法向位移矢量分布图由图8和图9可知方案一面板的挠曲变形可分为三段，最大挠曲值为3.41cm，发生在面板长度下部1/3范围内；面板长度上部的1/3范围挠曲变形值次之，其挠曲值为2.9cm；面板长度的中部1/3段，受岩埂的顶托制约，其挠曲值最小，仅为0.38cm，几乎是不产生挠曲，但这将引起该处产生应力集中。方案二面板的最大挠曲值为2.98cm，发生在面板中段范围内；面板长度上部的1/3范围挠曲位移值为1.6cm；面板长度的下部1/3段，挠曲位移值为2.7cm。对比图3和与4可知，由于将岩埂削减22m，减低岩埂对面板的顶托作用，使得面板的挠曲变形变得更趋向于均匀化，降低了面板挠度的变形梯度，改善了面板的变形条件。与方案二不同，由于岩埂开挖的体形不同，方案三中面板的挠曲变形大体上分为两段，最大挠曲值为3.22cm，发生在面板下端靠近趾板附近；面板长度上部的2/3范围挠曲位移值为2.51cm。由图4可知，岩埂经削坡修圆后，减低岩埂对面板的顶托作用，使得面板的挠曲变形变得更趋向于均匀化，降低了面板挠度的变形梯度，改善了面板的变形条件。通过对岩埂三个处理方案的比较可知：方案一中岩埂的存在对面板的挠曲变形分布极不均匀，预示混凝土防渗面板的受力也不均匀；对岩埂挖除较多的方案二，挠度分布较为均匀，但其开挖了工程量较大；经方案三对开挖体形进行了调整，相比方案二，开挖与填筑工程量均有所降低，面板应力条件也将会得到改善。2面板顺坡向位移方案一方案二方案三8图10满蓄期面板顺坡向位移图10可知：三个方案面板顺坡向位移的最大值均发生在面板的顶部。方案一中面板顺坡向位移的最大值为0.55cm；方案二面板顺坡向位移的最大值为1.1cm；方案三面板顺坡向位移的最大值为0.88cm。上述各方案顺坡向位移值与岩埂开挖量大小密切相关，方案一未进行岩埂开挖，坝料填筑层浇薄，在岩埂的约束下顺坡向位移最小；方案二对岩埂削除最多，坝料回填量最大，顺坡向位移值也就最大；方案三开挖量介于二者之间，顺坡向位移值介于前二者之间。3面板的大主应力图11和表2给出了三个方案满蓄期面板大主应力的分布