折线型面板坝坝轴线转折处面板连接方式研究

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

折线型面板坝坝轴线转折处面板连接方式研究

张勇

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

由于坝址处特殊河谷形状等原因，混凝土面板堆石坝的坝轴线往往需要布置成折线，造成混凝土面板不在一个平面上，使得混凝土面板的应力变形性状复杂。坝轴线转折处两侧面板的连接方式是这类面板坝设计需要考虑的问题，不同的连接方式可能对面板的变形和应力产生影响。基于某面板堆石坝工程，采用三维弹塑性有限单元法计算分析了坝轴线转折处采用直接连接和设置连接板连接两种方式对面板应力变形的影响，计算结果显示，不同的连接方式对混凝土面板的应力变形和面板接缝变位的影响不显著。但坝轴线转折处面板设置连接板时，两侧面板间的接缝止水结构比不设置连接板直接连接时简单，所以这类面板坝工程设计时在坝轴线转折处以设置面板连接板为宜。图3幅，表2个。

坝设计；折线型面板；面板堆石坝；应力变形

1 概 述

在过去的30多年时间内，混凝土面板堆石坝取得了快速发展，无论建坝数量还是建坝高度都有很大进展［1］。同时，在深厚覆盖层上［2］以及狭窄河谷［3］等复杂地质地形条件下的面板坝建设也取得了较大的发展；随着水电资源的进一步开发，将遭遇更多在复杂地形地质条件下建造面板坝的情况。为了适应坝址处河谷形状或者地质条件，坝轴线有时需要布置成折线；与通常直线布置的面板坝相比，折线型面板坝的受力条件更为复杂，坝轴线转折处面板的连接方式对混凝土面板的应力变形特性及面板接缝变位的影响值得重点关注。

某混凝土面板堆石坝工程坝址处河床和两岸岸坡广布覆盖层，且覆盖层的工程特性不够理想，为了减少覆盖层对坝体变形的影响，设计单位将坝轴线按折线布置，以尽量避开覆盖层。在坝轴线转折处，左右两侧面板设计了2种不同的连接方式，其一是设置连接板连接（图1a），其二是不设置连接板直接连接（图1b）。为了研究该面板坝坝轴线转折处面板连接方式对面板应力变形的影响，确定合理的连接方式，本文采用三维有限元方法，针对直接连接和设置连接板两种不同连接方式下面板的应力变形以及两侧面板接缝变位进行了研究；通过对比分析，建议了合理的连接方式。

图1 坝轴线转折处面板连接方式

2 计算模型及计算参数

针对面板坝应力变形的计算，目前堆石料的本构模型主要有非线性弹性模型（包括DuncanE_V模型、DuncanE_B模型和各种K_G模型）和弹塑性模型两大类。DuncanE_B模型虽然不能像弹塑性模型一样反映堆石体的剪胀、剪缩特性，且水平位移的计算值可能偏大，但其计算结果基本能够反映坝体的应力变形性状；另外，人们对该模型的应用和模型计算参数的确定已经积累了较为丰富的经验，故其至今仍被广泛采用。本文在进行坝体应力变形分析时，堆石料的本构模型选用DuncanE_B模型，其增量型应力应变关系符合广义胡克定律，即：

模型存在2个变量，分别是切线杨氏模量Et和切线体积变形模量Bt，其表达式为［4］：

式中，Pa为大气压；K和Kb分别为杨氏模量系数和体积模量系数，n和m分别为切线杨氏模量Et和切线体积模量Bt随围压σ3增加而增加的幂次；Rf为破坏比；Sl为应力水平，其表达式为：

式中，c、υ为抗剪强度指标。

DuncanE_B模型有7个模型参数，即K、n、Rf、Kb、m、c和υ，可由室内常规三轴试验结果整理。

计算中，混凝土结构的本构模型采用线弹性模型，混凝土结构与堆石料之间的接触面采用Goodman单元模拟，面板垂直缝采用分离缝模型模拟，面板周边缝采用接缝单元模拟。

坝内堆石料计算参数根据大型三轴试验资料整理得出（见表1）。面板混凝土标号为C30，计算采用的混凝土面板的弹性模量和泊松比分别为E＝30 GPa，μ＝0.167，密度为2.50g／cm3。

表1 计算参数

3 计算结果分析

图2为蓄水期面板挠度和轴向位移等值线。由计算结果可见，当不设置连接板时，坝轴线转折处左侧面板多数区域的轴向位移都指向右岸，位移最大值1.7cm。坝线转折处右侧面板的轴向位移呈现向面板中间挤压的趋势，指向左岸和指向右岸的轴向位移最大值分别为3.4cm和3.5cm。坝轴线转折处左、右两侧面板在接缝两侧的挠度不连续，相对而言，右侧面板的挠度较左侧面板的挠度大，左、右两侧面板的最大挠度值分别为23.3cm和32.6cm；当设置连接板时，连接板左侧面板轴向位移基本指向右岸，连接板右侧面板的轴向位移表现为向面板中间挤压，位移值与不设连接板计算结果相当。连接板与左、右两侧面板的挠度不连续，右侧面板的挠度较左侧面板的大些，左右两侧混凝土面板最大挠度值分别为22.5cm和32.4cm。

图2 蓄水期面板变形等值线分布（单位：cm）

图3 蓄水期面板应力等值线分布（单位：MPa）

图3 （a）为坝轴线转折处不设连接板时蓄水期混凝土面板的轴向应力和顺坡向应力分布图（见图3）。由计算结果可见：坝轴线转折处左侧面板大部分区域坝轴向应力为压应力，拉应力发生在面板左端以及坝线转折处左右面板接缝顶部一定区域内，最大拉应力和最大压应力分别为1.14MPa和9.02MPa；坝轴线转折处右侧面板轴向应力除右岸周边缝附近有一个较小拉应力区域外，基本都承受压应力作用，最大拉应力和最大压应力分别为0.97MPa和14.3MPa。在坝轴线转折处分缝左、右两侧面板的顺坡向应力在接缝两侧均存在拉应力区域，同时在两岸周边缝附近存在很小的顺坡向拉应力区域，坝轴线转折处左侧面板顺坡向最大拉应力和最大压应力分别为1.42MPa和6.8MPa；坝轴线转折处右侧面板顺坡向最大拉应力和最大压应力分别为1.31MPa和9.5MPa。

图3（b）给出了坝轴线转折处设置连接板情况下蓄水期混凝土面板的轴向应力和顺坡向应力分布（见图3）。计算结果显示：连接板左侧面板在河床部位的轴向应力为压应力，在左岸周边缝附近有较小的拉应力作用区域，最大拉应力和最大压应力分别为1.19MPa和6.5MPa；连接板右侧面板轴向应力在面板与连接板接缝附近局部区域和右岸周边缝附近部分区域存在拉应力，面板大部分区域承受压应力作用，最大拉应力和最大压应力分别为0.88MPa和11.5MPa。在坝轴线转折处连接板与右侧面板的接缝附近面板顺坡向应力存在较小拉应力区域，同时在两岸周边缝附近存在很小的顺坡向拉应力区域。连接板左侧面板顺坡向最大拉应力和最大压应力分别为0.48MPa和8.1MPa，连接板右侧面板顺坡向最大拉应力和最大压应力分别为0.64 MPa和9.0MPa。

表2为两种不同连接方式下面板应力变形计算结果特征值（见表2）。计算结果表明，坝轴线转折处两侧面板设置连接板与不设置连接板两种情况下，混凝土面板的应力变形总体差别不大。相对而言，设置连接板时面板变形略大；同时可以看出，设置连接板后，面板周边缝三向位移最大值略有增加。在坝轴线转折处，不设连接板时，左、右两侧面板由1条接缝相连；设置连接板后，左、右两侧面板分别与连接板相连。从左、右两侧面板连接缝变形性态来看，设置连接板后坝轴线转折处接缝止水结构相对简单，较为有利。

表2 面板应力计算结果特征值

4 结 论

采用三维弹塑性有限单元法对某水电站混凝土面板堆石坝的应力变形特性进行了仿真模拟计算，结果显示，坝轴线转折处不同连接方式对坝体的应力变形以及对混凝土面板的应力变形和面板周边缝变位影响不大。从应力变形角度出发，两种连接方式都是可行的，但是坝轴线转折处设置连接板时，接缝止水结构比不设置连接板时简单；从便于施工和工程可靠性角度出发，在坝轴线转折处设置连接板的方案更为合理。

［1］ 童 伟，任旭华．我国混凝土面板堆石坝建设概况［J］．水利水电科技进展．2004，（24）：88_92．

［2］ 李国英，苗 喆，米占宽．深厚覆盖层上高面板坝建基条件及防渗设计综述［J］．水利水运工程学报．2014（3）：1_6．

［3］ 李庆生．峡谷地区高面板堆石坝变形特点［J］．中南水利发电，2009（3）：8_10．

［4］ 陈慧远．土石坝有限元分析［M］．南京：河海大学出版社，1987．

责任编辑 吴 昊

2015－04－16

张 勇（1968－），男，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作。

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