简述防止高拱坝坝踵开裂和屈服的措施

高千然

【摘 要】经过多年的工程施工实践总结表明，在目前的水利工程施工中，高拱坝特别是高度超过200m以上的特高拱坝，其坝踵部位受到施工质量、施工技术以及运行条件等多个环节的影响和制约，使得其裂缝问题较为严重，因此在目前的水利工程施工中，以相关技术和施工方法来进行施工，从而防止高拱坝坝踵受到影响而开裂和屈服已成为人们在工作中关注的重点，也是当前工程项目中最为关键和重要的工作环节。本文就以高拱坝坝踵开裂与屈服产生原因进行分析和总结，提出了相关预防措施和控制工作要点，以供同行工作参考。

【关键词】水利工程；高拱坝；坝踵；开裂

在当前的水利工程施工中，针对高拱坝施工中坝踵附近存在的各种问题进行分析和总结，人们在施工的过程中逐步提出了以释放周边约束力来减少相关拉应力来进行施工的方法，从而使得整个工程项目中的各种问题都得到了有效的控制和完善，尤其是其中存在的开裂和屈服问题，更是得到了有效的管理和控制，成为当前工程项目中人们关注和研究的工作重点所在，也是整个工程项目中最受人们关注和重视的话题。

1.国内常见高拱坝坝踵开裂问题分析

在目前的水利工程项目中，常见的高拱坝和超高拱坝工程已经屡见不鲜，已成为整个建筑工程项目中最受人们关注和重视的环节。一般来说，在施工的过程中由于受到施工条件、施工因素和施工效果等多个环节进行分析，其在应用的过程中常常都是难以确定和控制的工作流程，其在运行中由于受到水流、天气、结构质量等多个因素的影响，使得其中水压力更是较为严重，造成了严重的坝踵开裂现象，给工程施工带来了一定的质量影响，更是严重的影响着工程整体性和耐久性。

就我国已经有的水坝和拱桥施工分析，其施工历史悠久，但是就拱坝施工而言，其是近代以后才出现的一种问题。第一座拱坝在施工的过程中最早出现于上个世纪二十年代的厦门。其在施工的过程中是以里浆砌石为主的，在施工的过程中坝体高度为27m的小型拱坝结构。在近年来的建筑工程项目中，大规模的对其进行修筑和建设是与上个世纪七八十年代，也就是我国改革开放以来的几十年间才出现了建设高潮，也成为整个工程建设中最受人们关注和重视的环节。截至目前，我国建有高拱坝上千座，其中占世界高拱坝综述的一半左右，成为名符其实的拱坝大国。但是就着诸多坝体结构进行分析和总结，高拱坝水利工程结构在运行的过程中可谓是最安全的一种，也是工程施工建设中最受关注和重视的一个工作环节和内容模式。

当前的拱坝结构施工中，我国已经建成的高拱坝结构大多都集中在大江大河的干流之上，而且有着坝体高度大、施工技术和经济性能好的优势，但是其一旦出现坝踵开裂，则极容易造成整个坝体工程出现影响，甚至是造成难以预料和避免的事故。由于对其修复是一件技术难度高、经济投资大的方式，因此提前做好相关的准备和预防工作至关重要和十分关键。

2.坝踵开裂和屈服的预防措施

2.1计算模型

2.1.1接缝模型。

本文采用的三维非线性接触单元，用实际缝中的填充材料参数E和～按常规有限元的方法形成劲度矩阵，避免了Goodman单元等只考虑缝面变形及参数kn取值的任意性。本构关系上，同时考虑了法向和切向的非线性特性，考虑了缝面应力与变位的非线性重调整，模拟了接触面粘结、滑移、张开等变形模式，从而使计算更符合实际情况。模型主要特点为接触面法向应力变形关系借鉴了Bandis岩石节理法向变形的双曲线模型，接触面切向应力应变关系采用应变硬化的双曲线模型。

2.1.2坝体混凝土材料的破坏准则采用Chen1982年提出的能较全面反映混凝土破坏曲面特征的四参数弹塑性～断裂模型。破坏形式有开裂破坏、压毁破坏和混合破坏3种。

2.1.3坝基材料的破坏准则。

某高拱坝坝基材料比较复杂，包括岩石和断层、节理等。岩石材料的破坏准则采用最大拉应力准则和Drucker～prager准则；断层和节理的破坏准则采用最大拉应力准则和Mohr～Coulomb准则。

2.2周边缝、底缝设计和拱坝地基系统离散

某拱坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程为1245～0m，坝基面高程为953～0m，最大坝高292m。设缝原则为周边缝的圆心均位于拱坝的中心面上，半径接近为常值。这样设置的缝可以保证曲率平顺，同时应保持缝面光滑，使坝体保持对称形状。本文研究的周边缝沿整个坝体与建基面设置，底缝对称于拱冠断面，总的水平投影长度为167m。拱冠处缝面至坝基底距离与缝处坝厚之比为0～153，该处缝面高程为964m。坝体沿厚度方向分4层，沿高度方向分14层，基础深度为坝高的1倍左右，单元总数为9423，结点总数为11490。本文研究的周边缝拱坝设缝范围左右边高程均为1245m，全截面设缝；设置底缝的拱坝缝长水平投影为167m，全截面设缝。整体坐标的原点位于通过上游拱冠中心的竖向直线与零高程面的交点，x正向指向右岸，y正向指向下游，z正向铅直向上。拱坝地基系统网格剖分图及计算中所采用的有关参数。拱坝所受荷载及加载顺序为：坝体自重，正常水荷载，温度荷载（温降），泥沙压力。

3.结果分析

某拱坝未设缝线弹性分析时，拱冠处顺河向位移为167～90mm，设周边缝和底缝后位移分别为172～26mm和172～78mm。设底缝时的位移值略大于周边缝，是由于未设缝部位出现较多的不规则裂缝、屈服引起的。总体说来，设周边缝和底缝均使拱冠处的位移呈明显增加的趋势，表明设缝后拱坝的整体性有所降低。两种设缝拱坝的缝面上坝体位移均呈刚体位移特征。由于坝体不完全对称，左边的弦长大于右边的弦长，使得坝体左半部分顺河向位移要大于右半部分。拱冠附近有上抬位移趋势，设底缝的拱坝与设周边缝的拱坝相比，在左右坝肩处的竖向位移有所减小。为便于比较，给出了未设缝（线弹性）、设周边缝和设底缝时拱坝上游面的分布。设缝后，拱坝上游面在坝踵附近1有较大降低。未设缝时，某拱坝在上游坝踵最大主拉应力达5～45MPa，梁向拉应力达3～75MPa；设缝之后，最大主拉应力有较大下降，只有1～5MPa左右。设缝后由梁向承担的一部分荷载转由拱向承担，使得上游面最大拱向压应力增大，由-1～5MPa左右增大至-6～63MPa左右。两种设缝拱坝的应力状态比较接近，正如后述是由于底缝拱坝未设缝的周边部分也开裂、屈服成周边缝的样式引起的。

4.结束语

设缝可以有效地降低拱坝坝踵附近的拉应力。某拱坝未设缝时，在坝基附近的垫座内出现较大范围的开裂和屈服；设置周边缝时，垫座内的开裂和屈服明显减少；设置底缝时，坝踵附近的开裂和屈服明显减少，但在设缝两侧，尤其是两侧缝端附近，屈服现象比无缝情况时更为严重。某拱坝设周边缝的效果要优于设底缝，设缝范围可限制在缝面开裂的范围内。 [科]