气温变化和挤压墙约束对堆石坝面板开裂的影响

2013-10-20袁兴国

水力发电 2013年1期

程琳，袁兴国

（1.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏南京 210098；2.华能澜沧江水电有限公司，云南昆明 650214）

0 引言

黄河公伯峡水电站工程枢纽主要由混凝土面板堆石坝、引水发电系统和泄水建筑物3大部分组成。施工中采用了挤压式边墙施工技术。2006年，在混凝土面板检查中，发现部分面板的水面以上部分出现了裂缝。裂缝的分布具有一定的规律性:基本上都是纵缝；在库水位以上部分的裂缝较多，延伸入水面以下较少；左、右岸部位较多，河床中间部位较少；裂缝逐年有所增加，且冬季产生的裂缝较多，夏季较少；产生裂缝的部位沿坝轴线方向基本呈对称分布[1]。

混凝土面板在施工期因水泥水化热的作用和浇筑混凝土块底部的强约束而出现横向裂缝的现象比较常见。但是，面板在运行期出现很多纵向裂缝的情况比较少见。对于出现裂缝的原因目前仍处于研究阶段，可能的原因包括气温变化、混凝土的干缩、挤压墙对面板的强约束、坝体的不均匀变形和材料的流变等。本文主要研究气温变化和挤压墙约束对面板应力产生的影响。

1 模拟方法

1.1 有限元模型

面板是薄板结构，厚度仅有0.30～0.55 m，远小于其长度和宽度。为了精确反应面板沿厚度方向的温度梯度变化和方便计算结果处理，又保证面板网格剖分细致，如果按照常规方法进行有限元分析，面板网格与坝体网格之间的过渡存在困难。为了解决这一问题，本文采用子模型的方法，建立面板子模型进行面板温度场和温度应力的分析。20号面板的有限元子模型见图1。

图1 有限元子模型

模型范围为:沿面板法向向坝体内部取10 m，包括了整块面板、挤压墙、垫层、部分过渡层和堆石体。20号面板的有限元模型共有25165个单元，27294个结点，包含接触单元1379个，缝单元2186个。

大坝在运行期的温度场是准稳定温度场，只有坝体表面附近区域会受到外界气温的影响。根据对坝体内部埋设的土压力计的伴测温度的分析，坝体内部温度常年保持稳定，变幅很小，从而保证了采用子模型来计算面板的温度和应力场的精度。具体计算原理见文献[2]。

1.2 面板与挤压墙间的模拟

根据有关计算成果[3]，由于挤压墙材料的强度较小，大坝蓄水完成后，挤压墙材料基本上被压碎，其性质和垫层相同。可以在面板和挤压墙之间设置Goodman单元。Goodman单元的法向劲度值在接触面受压时取为1.0×105MPa/m，受拉时为10 MPa/m。切向劲度需根据单元的实际应力状态来获得，由于本次计算中未考虑其他荷载的作用，单元的实际应力状态未知。因此，切向劲度只能按照经验给定[4]，具体参数见表1。

1.3 面板周边缝的模拟

面板与防浪墙、面板与趾板以及面板与相邻面板之间采用顾淦臣[5]提出的连接单元进行模拟。为了更加真实地反应面板周边的约束作用，在计算中，对20号面板采用测缝计JB3－13的实测缝位移值来计算面板与趾板之间缝单元（止水3道）的劲度；根据左侧测缝计 JB2－20、 JB2－21、 JB2－22、 JB2－23和JB2－24的缝位移监测结果拟合计算面板纵缝（止水2道）的连接劲度。缝法向位移随高程变化的拟合曲线见图2。根据河海大学的试验成果[6]，将以上测缝计实测缝位移代入相关的表达式，便可以得到连接单元的法向和切向劲度值。

表1 面板与挤压墙接触面的切向劲度

图2 板间缝法向位移沿高程的分布

2 计算工况、参数和边界条件

2.1 计算工况

由于公伯峡水电站面板开裂主要发生在冬春季，在对坝址区2005年～2010年气温资料的分析的基础上，选取以下2个典型工况进行分析:

（1）工况1:2006年4月8日～17日之间一次典型的寒潮过境过程，寒潮持续时间为3天，最大的日温降为14.6℃。

（2）工况2:2008年1月下旬出现的连续降温过程。

2.2 计算参数

混凝土和坝体材料均采用弹性模型。具体的材料参数参考文献[7]进行选取，见表2。

2.3 初始和边界条件

初始温度按年平均气温取为8.5℃。监测仪器埋设点的温度设为其实测值；趾板以及坝体与地基的交界面处设为年平均地温11.5℃；面板表面水面以下部分的温度设为水温，这都属于第一类边界条件。采用面板表面监测仪器的实测温度资料，利用多项式进行拟合，得到的水温T与水位H的关系

表2 材料的热学和力学参数

日照引起的热辐射在面板水面以上部分和坝体外表面按照第二类边界条件给定热流强度值q。该工程位于北纬36°，3月～5月晴天混凝土表面吸收的辐射强度为 1.78×104kJ/（m2·d）；寒潮过境期间，云量一般较大，太阳辐射不再考虑。相邻面板之间的温度场影响较小，子模型的左、右侧在计算温度场时取为绝热，即不考虑热流的纵向流动，只考虑其沿面板法向的流动。坝体截断处也取为绝热。

面板水面以上部分和坝体外表面取为第三类边界条件，即表面热交换边界。

由于计算中仅考虑温度荷载的影响，子模型与周边的截断处均按照固定位移来设定其边界条件。

3 计算成果分析

3.1 温度计算结果

图3是面板中部水面以上2003.5 m高程沿面板法向不同混凝土厚度t处的结点在2种计算工况下的温度历时曲线。对比图2中的气温过程线可以看出，在2种计算工况下，面板水面以上部分的各结点温度值受气温的影响显著，温度值的变化与外界气温变化较为同步，沿面板厚度方向各结点的温度受温度的影响不断降低。

图3 面板结点气温过程线

3.2 温度应力计算成果

2种计算工况面板最大拉应力为2.8 MPa，出现在2008年1月29日。图4是20号面板1991.5 m高程以上部分的表面、中面和底面在2008年1月29日的最大主应力等值线。从图4可以看出，最大主应力出现在2002.5～2003.5 m高程附近，即水位变动区附近。从面板表面到底部温度荷载产生的拉应力逐渐减小。

面板2002.0 m高程以上部分最大主应力方向和实际裂缝的素描见图5。从图5中可以看出，最大主应力的方向基本上沿坝轴线方向。因此，面板裂缝主要是纵缝，与实测裂缝的分布规律相同。

图4 面板最大主应力等值线（单位:MPa）

表3统计了5、20号面板在2种计算工况下面板表面拉应力超过设计值的范围。由表3可知，计算工况2，即冬季低温期连续降温对面板开裂的影响更为显著，计算得到的裂缝分布范围要比实际大。

图5 面板表面最大主应力方向和实际裂缝素描

以上分析是针对温度应力进行的。面板实际的应力状态还需综合考虑面板自重、水压力以及混凝土徐变等因素的影响才能确定。文献[6]未考虑温度荷载时的面板应力计算成果表明，面板水平向应力均为中部坝段受压，岸坡坝段受拉。将上述面板的应力结果与温度应力综合后可以发现，温度应力使岸坡坝段面板的应力状态更加恶化。中部坝段由于主要受压应力作用，根据参考文献[7]，最大压应力在面板上部约为1.5～2.5 MPa，与温度荷载产生的最大拉应力相近。因此，中部坝段8～17号面板产生的裂缝较少或未开裂，裂缝主要分布在岸坡坝段。这与实测的面板裂缝分布范围相吻合。

总的来看，温度应力产生的面板开裂与实测的裂缝在分布规律上基本吻合，可以初步判定气温变化是面板裂缝产生的直接诱因。其他荷载产生的面板应力场与冬季不利的温度荷载的组合，使面板在拉应力超过设计值的区域发生开裂。

表3 面板表面应力超过设计值的最大范围

4 挤压墙约束对面板应力的影响

在以上计算中假定挤压墙已经压碎，且面板和挤压墙之间的切向劲度参数是按照经验选取的。实际情况中，挤压墙有可能并不会完全被压碎，并有可能存在挤压墙对面板的局部强约束。为了定量地分析挤压墙约束作用对面应力的影响，本文对挤压墙的切向劲度进行了参数敏感性分析。图6、7分别为计算工况2面板中部2003.5m高程沿面板厚度t方向不同位置处的最大拉应力与接触面切向劲度Kst和法向劲度Ksn的对数关系。

由图6、7可以看出，接触面法向劲度对面板应力的影响基本可以忽略。接触面的切向劲度Kst对面板的应力有一定的影响。当Kst小于109Pa/m时，面板拉应力和压应力迅速增大；当Kst大于109Pa/m时，面板接近于被完全约束，随着Kst的变大，应力基本上不发生变化。