混凝土新老结合面状态对大坝安全影响分析

李学军

（河北省南水北调建设管理局，石家庄 050021）

丹江口水库为南水北调中线的水源地，为满足中线调水量的需要，对丹江口初期工程进行加高培厚。

水库1958年9月正式开工兴建，1968年第1台机组发电，1973年初期工程建成。初期工程坝顶高程162m，正常蓄水位157m。

根据南水北调中线工程规划（2001年修订）的审查意见，要求加高丹江口水利枢纽大坝（加高14.6m至坝顶高程176.6m［1］）。大坝加高工程主要是对初期挡水建筑物进行加高和对通航建筑物进行改建。除右岸土石坝改线另建和左岸土石坝左端延长外，其余挡水建筑物均在初期工程的基础上加高和改建。

虽然大坝加高在国外已有许多工程实例，丹江口大坝加高是在初期工程运行使用的条件下进行加高施工，其加高施工规模、大坝高度、技术难度在国内外均属少见，对于大坝加高工程设计施工无专门的技术规定，亦无成熟可供借鉴的经验，所以在丹江口地区气候环境、施工条件下，实施大坝加高工程存在诸多需要研究的关键技术问题。

本文选定丹江口水库上游面水平裂缝最严重的1#坝段为例，研究新老混凝土结合面状态对坝段抗滑稳定的影响。研究方法与通常的刚体极限平衡法有所不同，主要用有限元法直接反力法［2］求出各个可能滑动面上的内力，利用重力坝规范［3］推荐的方法求出坝体抗剪断与抗剪抗滑稳定安全系数，最后给出结论建议。

1 计算方法

本文采用的SAPTIS［4］有限元分析程序是一款多功能有限元分析程序，由中国水利水电科学研究院结构材料研究所张国新教授采用FORTRAN语言编制，已成功用于三峡、二滩、龙滩、小湾、溪洛渡、锦屏、拉西瓦、白鹤滩、糯扎渡、乌东德、景洪、鲁地拉、观音岩、南水北调等工程的各种温度、应力、变形、安全度等问题分析。

目前，SAPTIS程序主要为大型结构温度场、应力场线性及非线性分析程序，主要特点包括：

1.1 考虑多种屈服模型

主要有：MC屈服破坏准则，DP外接屈服破坏准则，DP内接屈服破坏准则，DP与MC等面积屈服破坏准则，H-T-C四参数准则，WW五参数屈服准则。在基本屈服破坏准则基础上，考虑拉坏和压坏影响，形成复合型扩展屈服准则；同时考虑材料破坏后非理想弹塑性体，加入了抗拉强度、抗压强度、粘聚力和摩擦系数的软化因素，形成软化型扩展屈服准则。

1.2 考虑混凝土坝真实施工进程

包括坝体分块成层浇筑、拱坝分缝逐步灌浆成拱及大坝分期蓄水等过程，考虑洞室开挖等施工过程，比较真实地模拟施工运行过程。

1.3 具有多种缝单元

Saptis可以模拟大坝多种键槽作用，模拟灌浆前的开闭、灌浆过程、灌浆后的开闭屈服等，从而模拟大坝施工至运行期间多种缝的状态及其对大坝受力状态的影响。

1.4 具有多种实体单元、缝单元、杆梁锚索单元

Saptis可用以模拟水利水电工程中遇到的各种温度、渗流、变形、应力等问题。采用高效压缩数据存贮方式，具有共轭梯度法、高斯直接解法、直接并行解法等多种方程求解器，利用微机即可求解数百万自由度的结构分析问题。利用高性能服务器，可以对水利水电工程进行大规模有限元分析。

2 工程算例

2.1 计算模型

2.1.1 有限元计算模型及计算参数

丹江口重力坝1#坝段有限元计算模型如图1所示。

图1 坝段有限元计算模型示意

（1）基础计算范围：顺河向分别向上游和下游方向扩展1.5倍的坝高，深度取坝高的1.5倍。

（2）1#坝段大坝主体：坝段坝宽15m，坝底高程112m，老坝踵厚度33m，老坝顶高143m，新坝踵厚度51m，新坝顶高程176.6m。有限元计算单元总数53410，结点总数61402，单元类型主要为六面体单元，材料分区分为加高混凝土和初期工程混凝土。

（3）新老坝结合面处理：143m高程由缝单元连接，143m高程以下新老坝结合面下游部位分离。

图1给出了计算网格、模型主要体形参数尺寸、坝内缝单元、材料分区示意图。约束条件基础四周法向约束、底面采用全约束，坝段主体两侧面法向约束。大坝荷载考虑水压、沙压、扬压力和自重，不考虑基础自重荷载。

基础及新老混凝土的弹性模量及泊松比见表1。

表1 基岩及新老混凝土弹性模量及泊松比

2.1.2 抗滑稳定计算模型

1#坝段抗滑稳定计算模型及边界条件如图2所示。

图2 稳定计算模型及边界条件 单位：m

由图2可以看出，143m水平裂缝与143m高程以下的新老混凝土结合面将1#坝段分为2个隔离体，2个隔离体之间内力作用如图3所示，内力大小由有限元位移反力法求出。

图3 2个隔离体之间内力作用示意

2.2 滑动模式

抗滑稳定分析中，将新老混凝土结合面考虑为最危险的情况，即全部脱开，因此，1#坝段共有3个滑动面，如图4所示。

图4 1#坝段不同隔离体滑动面示意

1#坝段不同隔离体滑动模式如表2所示。

表2 1#坝段不同隔离体滑动模式

2.3 荷载和参数计算

计算荷载主要考虑荷载基本组合，即混凝土自重。计算参数采用正常蓄水位170m，泥沙高程115m，泥沙浮容重0.5t/m3。

对坝体抗滑稳定安全系数，需计算抗剪断与抗剪两种情况，滑动面力学参数如表3。

表3 不同滑动面力学参数

2.4 不考虑结合面进水时坝段抗滑稳定安全系数

不考虑结合面进水时，采用有限元直接反力发法，计算不同滑动面上内力如表4所示。

表4 不同滑动面内力 单位：t

不同滑动模式下抗滑稳定安全系数如表5。

表5 不同滑动模式下抗滑稳定安全系数

由表5可以看出，不考虑结合面进水时，不同滑动模式下最小抗滑稳定安全系数为：抗剪断3.38、抗剪1.26，均大于抗剪断3.00、抗剪1.10的规范允许值。

2.5 结合面进水时坝段抗滑稳定安全系数

结合面进水且全水头时（如图5所示），采用有限元直接反力法，计算不同滑动面上内力如表6所示。

图5 1#坝段不同隔离体结合面水压示意

表6 不同滑动面内力 单位：t

隔离体1由于承受的结合面水压力指向上游，因此隔离体1的抗滑稳定安全系数大于结合面无水的安全系数，这里不再计算。

隔离体2不同滑动模式下抗滑稳定安全系数如表7。

表7 不同滑动模式下抗滑稳定安全系数

由表7看出，考虑结合面进水时，不同滑动模式下最小抗滑稳定安全系数为：抗剪断2.49、抗剪0.76，均小于抗剪断3.00、抗剪1.10的规范允许值。

3 结语

针对丹江口大坝加高，重点对1#坝段安全度进行了分析计算，通过分析比较新老混凝土结合面完好、结合面开裂及结合面开裂且进水3种情况下的安全度，说明结合面状态对坝段长期运行安全的影响，计算结果表明：

（1）1#坝段抗滑稳定分析结果表明，不考虑结合面进水时，采用有限元法计算可能滑动面内力，在上游水平裂缝贯穿初期工程坝段，且下游结合面完全脱开的极端情况下，不同滑动模式下最小抗滑稳定安全系数为：抗剪断为3.38，抗剪为1.26，均满足规范允许值要求（抗剪断3.00、抗剪1.10）。

（2）考虑结合面进水且全水头时，1#坝段抗滑稳定分析结果表明，不同滑动模式下最小抗滑稳定安全系数为：抗剪断为2.49，抗剪为0.76，小于规范允许值。工程实际中必须避免结合面进水情况。

（3）鉴于新老混凝土结合面张开面积较大，结合面进水且排水不畅时，安全度大幅度降低，因此必须采取措施保证结合面排水畅通。

［1］陈志康，郑光俊，王莉.丹江口大坝加高工程新老混凝土结合措施设计［J］.人民长江，2009，40（23）:93-95.

［2］张国新，刘毅.坝基稳定分析的有限元直接反力法［J］.水利发电，2006，32（12）:30-38.

［3］SL319—2005，混凝土重力坝设计规范［S］.

［4］朱伯芳，张超然，张国新，等.高拱坝结构安全关键技术研究［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［5］廖仁强，陈志康，张国新，等.丹江口大坝加高工程关键技术研究综述［J］.南水北调与水利科技，2009，7（6）：47-49.