碾压混凝土坝碾压层厚对层间面特性影响研究

燕 乔 宋志诚 张利雷 张胜利 骆祚森

（三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）

碾压混凝土重力坝是采用超干硬性、无塌落度混凝土、大面积薄层连续浇筑，然后在层面上振动压实的施工方法，具有大仓面快速施工、减少水泥用量，简化温控措施等优点，在水利工程中得到了广泛的应用［1］.但由于碾压混凝土施工工艺、层间间歇时间及层间处理方式等因素，可能使碾压混凝土坝层间面成为整体的软弱结构面［2］.而层面影响带将成为影响碾压混凝土坝强度、稳定和渗流的关键部位［3－4］.根据以往工程实例和实验可知，碾压混凝土本体强度不低于常态混凝土，而层间面强度往往低于本体强度，所以层间缺陷直接影响到坝体的整体性和安全性，故有必要针对碾压混凝土层间面软弱面特性进行研究.

本文针对碾压混凝土层间面软弱面问题，运用abaqus有限元软件，结合乌弄龙碾压混凝土坝，对不同碾压层厚度的坝体进行对比分析，总结出碾压层厚度对大坝应力、位移分布的影响规律，为以后大坝层厚的选取、层面处理方式的设计与施工提供参考依据.

1 碾压混凝土坝计算模型的建立及相关参数的选取

1.1 有限元模型的建立

乌弄龙碾压混凝土坝坝顶高程1 909.5m，最大坝高为137.5m，坝体上游面铅直，下游面坡度为0.72，最大挡水坝段为10号坝段，其建基面高程为1 785m，其最大坝高为124.5m.本文利用有限元建模分析时，取10号坝段，沿坝体上下游方向取2倍坝高，坝基深度方向取两倍坝高，碾压层厚度分别取30 cm、50cm、70cm，层间面厚度取2cm，坝体模型的混凝土、基岩、垫层、碾压层面等均采用平面应变缩减积分单元（CPE4）进行网格划分，并且层面与本体碾压混凝土之间具体接触情况很难真实的模拟，故采用刚性连接，有限元网格如图1所示.

1.2 荷载工况

为了方便计算，本文只考虑水压荷载，只对正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位分别进行分析，工况具体情况见表1.

图1 有限元网格

表1 荷载工况

1.3 计算参数的选取

根据乌弄龙碾压混凝土坝相关设计资料，层面材料参数按C9015碾压混凝土力学参数考虑，同时本文为计算简便对基岩进行均质简化并认为为弹塑性材料，坝体混凝土为弹性材料，乌弄龙各区混凝土和基岩物理力学参数具体情况见表2.

表2 各区混凝土力学参数

2 计算结果分析

本节通过对3种有限元模型静力分析，最终得出在不同工况下应力、位移大小及分布规率.从中可以得出：在不同计算工况下，坝体应力、位移具有相同的变化趋势，所以本节分析时选择具有代表性的工况（设计洪水位）进行分析，即对设计洪水位时碾压层厚度对坝体应力、位移云图进行对比分析，探讨在相同工况下大坝应力、位移分布规律以及碾压层厚度对坝体应力、位移分布的影响.

2.1 设计洪水时坝体应力分布分析

根据对设计洪水时坝体各主应力、各分应力分布的分析，主应力、各项分应力分布大体一致，都呈现出随着碾压层厚度的增加稍有小幅度的提高，但相差不大，故下面仅给出第一主应力云图，并对其进行对比分析，具体分布如图2所示.

图2 设计洪水位时第一主应力云图（单位：Pa）

从上述不同碾压层厚坝体第一主应力云图分析可得：1）当碾压层厚度为30cm时，最大拉应力为1.981MPa，最大压应力为0.605MPa；当碾压层厚度为50cm时，最大拉应力为1.981MPa，最大压应力为0.604MPa；当碾压层厚度为70cm时，最大拉应力为1.984MPa，最大压应力为0.522MPa；2）3种模型的第一主应力分布情况大体一致，且都未超出混凝土抗拉强度指标（2.2MPa左右）；3）在此工况下碾压混凝土大坝坝踵附近出现小区域的应力集中现象，最大拉应力达到1.7MPa，具有被拉裂的可能；4）随着碾压层厚度的增加坝体应力逐渐上升的趋势，但上升的趋势较小；5）随着碾压层厚度的增加，受压区的面积在逐渐增大，对防止坝体开裂具有一定的抑制作用，说明增加碾压层厚度对坝体分布较为有利，大坝此情况下运行较为安全；6）随着碾压层厚的增加在坝踵附近出现拉应力并呈现出增大的趋势，在坝址附近出现压力有减小的趋势.

2.2 设计洪水时坝体层间切向应力分布分析

根据对不同工况时坝体切向切向应力对比分析可知，坝体层面切向应力分布呈现出相同的变化趋势，随着碾压层厚的增加切向应力有增大趋势，下面仅对设计洪水时坝体层面切向应力进行分析，具体情况分布如图3所示.

图3 设计洪水位时x方向切应力云图（单位：Pa）

从上述3种不同碾压层厚的碾压混凝土坝模型切向应力云图可知：1）当碾压层厚度为30cm时，切应力最大值为1.083MPa，最小值为－2.438MPa；当碾压层厚度为50cm时，切应力最大值为1.089MPa，最小值为－2.439MPa；当碾压层厚度为70cm时，切应力最大值为1.117MPa，最小值－2.539MPa.2）3种不同碾压层厚的碾压混凝土坝切应力总体分布呈规律性分布，且大体一致.3）随着碾压层厚度的增加，坝体沿高度方向整体强度增大，变形减小，故切应力有增大的趋势.

2.3 设计洪水时坝体位移分布分析

根据对不同工况时坝体总体位移、各分位移分析对比分析可知，坝体总体位移、各位移都呈现出相同的变化趋势，即都随着碾压层厚的增加坝体位移呈现出减小的趋势，下面仅对设计洪水位时的总体位移进行对比分析，具体分布情况如图4所示.

图4 设计洪水位时坝体总位移云图（单位：m）

从上述3种不同碾压层厚的碾压混凝土坝模型总位移云图可知：1）当碾压层厚度为30cm时，总位移最大值为4.89cm，最小值为3.42cm；当碾压层厚度为50cm时，总位移最大值为4.89cm，最小值为3.42cm；当碾压层厚度为70cm时，总位移最大值为4.78cm，最小值3.38cm.2）3种不同碾压层厚的碾压混凝土坝位移总体分布呈规律性分布，且大体一致.3）3种不同碾压层厚在荷载作用下，坝体最小位移都出现在坝基附近，最大位移都出现在坝顶附近，且大小相差不大；随着碾压层厚的增加，坝基面的位移有减小的趋势，坝顶位移同样有减小的趋势.4）随着碾压层厚度的增加，位移有减小的趋势，故增加碾压层厚度，对控制坝体变形较为有利.

综上所述，随着碾压层厚度的增加，坝体各区应力、位移都呈现出规律性分布，且数值相差不大，同时随着水位的增高，碾压混凝土坝坝踵附近拉应力有向层间面集中的趋势，故层间面强度对坝体稳定有至关重要，同时应对坝踵附近层间面进行补强措施，以便更好的保障大坝安全.

3 结 论

碾压混凝土由于施工工艺等特点，致使坝体存在层间软弱面，而这些软弱面对坝体应力和位移总体分布会产生一定影响.通过本文研究成果可知，随着碾压层厚度的增加，应力略微增加的趋势，但压力区的范围明显增加，而位移略有减小的趋势，所以增加碾压层厚，可使大坝安全得到更好的保障.同时如根据工程实际可增加碾压层厚度，加快工程进度使工程尽早产生效益等，所以在碾压混凝土设计和施工时，应根据实际情况，选取合理的较大的碾压层厚度.

［1］ 张光斗.碾压混凝土筑坝新技术［J］.水力发电，1993（1）：86－98.

［2］ 姜福田.碾压混凝土坝的层面与影响［J］.水利水电技术，2008，39（2）：19－21.

［3］ 彭友文，顾冲时，吴中如.碾压混凝土坝层面影响带厚度分析［J］.长江科学院院报，2005，22（4）：59－61.

［4］ 朱俊松，訾进甲，刘 峡，等.等壳碾压混凝土重力坝层间抗滑稳定可靠度分析［J］.中国农村水利水电，2011（1）：115－118.