挤压边墙在竣工期和蓄水期对混凝土面板砂砾石坝的影响分析

王 鹏

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

文章编号：1006—2610(2015)01—0046—03

挤压边墙在竣工期和蓄水期对混凝土面板砂砾石坝的影响分析

王 鹏

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

结合新疆某一采用挤压边墙施工技术的混凝土面板砂砾石坝工程，对蓄水期工况下有挤压边墙和无挤压边墙的混凝土面板坝进行三维非线性有限元分析，得出挤压边墙改善了混凝土面板坝的应力应变状态，对混凝土面板和坝体都是有利的。

挤压边墙；面板砂砾石坝；有限单元法；应力;变形

0 前 言

面板堆石坝上游坡面传统的施工方法是先进行水平分层碾压，待垫层料铺填至一定高度后，反复进行斜坡碾压和机械及人工削坡直至符合设计坡面要求，之后根据面板分期情况分次对坡面采用碾压砂浆和沥青喷涂防护。传统的施工方法客观上存在垫层区斜坡面密实度难以保证、上游坡面施工工序复杂、坡面长期无防护、面板混凝土施工期的选择受制约等不利因素，这些因素又直接影响着工程进度、质量和工程经济性。而挤压式边墙技术改善了这些不利因素，它借鉴道路园林工程中道沿机的挤压滑模原理，创出这种面板坝垫层料坡面施工新方法，即在每一层坝料(垫层料)填筑以前在上游坝坡面，应用挤压机形成一道混凝土小墙，然后再在其内回填垫层料、过渡料并整平，一般在边墙成型2 h后即可进行垫层料碾压[1]。对于挤压边墙在施工方面的优点是明显的，但对其是否会因增加约束而使面板混凝土更易于裂缝，目前尚无明确定论[8]。

1 工程概况

本枢纽工程由右岸溢洪道、泄洪洞、拦河坝、发电引水系统以及电站厂房等几个主要建筑物组成。拦河坝为混凝土面板砂砾石坝，最大坝高129.4 m，坝顶长475 m。混凝土面板采用C30F300W12。趾板型式采用水平趾板。大坝典型横剖面如图1所示。其中ⅡA为垫层料，ⅢB为砂砾石料[7]。

图1 大坝典型横剖面图

2 计算模型及参数

模型的单元形式均为三维八节点六面体单元，无挤压边墙三维有限元模型和有挤压边墙三维有限元模型分别划分了16 432个节点、14 694个单元和19 845个节点、16 350个单元，坝基均视为不变形刚体。坝体堆石材料的计算采用的是DuncanE-B模型，其各个参数值如表1所示。混凝土面板按线弹性材料考虑，密度2 500 kg/m3，弹性模量20 000 MPa，泊松比为0.2。挤压边墙也按线弹性材料考虑，密度为2 400 kg/m3，弹性模量为6 600 MPa，泊松比为0.27。接触面模型的材料参数为：弹性模量为4 800 MPa，弹性模量指数为0.56，破坏比为0.74，摩擦角为36°。

表1 邓肯-张模型计算参数表

图2 挤压边墙结构图

由于挤压边墙结构尺寸很小，且边界形状不规则，在进行有限元网格划分时比较复杂，故对挤压边墙的形状进行简化，其实际结构形式如图2所示，简化后的结构形式如图3所示。从许多已建工程可以看出，挤压边墙属于干硬性混凝土，一般按照低强度、低弹性模量，渗透系数1×10-3～1×10-4cm/s控制[8]，但是其材料性质与土料相比还是存在较大差别，所以挤压边墙的模型依然视作混凝土材料，按线弹性材料考虑。

3 计算结果对比

图3 挤压边墙计算图

通过模拟分析，可以得出坝体在竣工期时坝体某断面最大水平位移、竖直位移、最大断面大主应力和混凝土面板的挠度、轴向应力和顺坡向应力值。同样对蓄水期进行模拟，可以得出在竣工期和蓄水期有无挤压边墙坝体和混凝土面板相关应力应变的特性，详见表2、3。

表2 坝体应力变形最大值对比表

表3 混凝土面板应力变形最大值对比表

4 结 语

(1) 挤压边墙对坝体的影响

通过对比分析可以看出：坝体在有挤压边墙和无挤压边墙2种情况下，挤压边墙总体上减小了坝体的变形，尤其是在蓄水期效果更加明显，也减小了坝体内的应力分布，这说明了挤压边墙对坝体的变形有抑制作用，但是坝体应力和变形的变化非常小，这种作用不够明显。所以，通过以上分析可以得出：挤压边墙对坝体的应力和变形总体影响不大。

(2) 挤压边墙对混凝土面板的影响

同样通过对比可以看出：混凝土面板在有挤压边墙和无挤压边墙2种情况下，在竣工期，挤压边墙的存在使得混凝土面板的轴线应力、挠度以及顺坡向应力都有所降低，面板的应力、变形状态得到改善和抑制，在蓄水期的时候，这种改善效果更加明显，特别是有挤压边墙时面板的压应力水平减小得很多。通过以上分析可以得出：挤压边墙的存在对混凝土面板和坝体都是有利的，特别对混凝土面板的作用尤为显著，这也说明了挤压边墙不仅没有对混凝土面板造成不利影响，反而能够改善了混凝土面板的应力应变状态，而且这种改善效果在蓄水期尤为明显。

[1] 刘超.压式边墙对混凝土面板影响的三维有限元分析[D].西安:西安理工大学,2005.

[2] 华东水利学院土力学教研室.土工原理与计算[M].北京：水利出版社,1980:290-292.

[3] 代凌辉．二塘沟水库深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝应力与变形计算分析[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2010.

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Analysis on Impacts on Concrete Face Sandy Gravel Dam by Extruded Side Wall in Completion and Impoundment Periods

WANG Peng

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

One concrete face sandy gravel dam in Xinjiang applies the construction technology of the extruded side wall. The concrete face rockfill dam in the impoundment period, with and without the extruded side wall, is analyzed by 3D nonlinear finite element method, which presents that the extruded side wall improves the CFRD stress and strain. The application of the extruded side wall is benefit for both the concrete face and the dam.

extruded side wall; concrete face sandy gravel dam; finite element method; stress; deformation

2014-08-12

王鹏(1987- ),男,新疆乌鲁木齐市人，硕士研究生，从事水利水电工程设计工作.

TV641.4+3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.012