使用面墙技术的碾压混凝土重力坝应力变形分析研究

武 力

(黑龙江省三江工程建设管理局，哈尔滨 150081)



使用面墙技术的碾压混凝土重力坝应力变形分析研究

武 力

(黑龙江省三江工程建设管理局，哈尔滨 150081)

碾压混凝土坝在诸多坝型选择上有明显的优势，当今在建的大坝中已成为水利枢纽的首先考虑的坝型选择。其明显优势在于工程施工中，混凝土面墙可以成为坝体的一部分，也可辅助施工浇筑混凝土大坝，很大程度上满足其技术要求和工期要求。文章主要以已建的某碾压混凝土重力坝，基于混凝土面墙技术的坝体为研究对象，采取合理的本构模型，运用大型有限元计算软件ANSYS，基本原理基于三维有限元温度场与应力场相似的机理，分两种工况竣工期、蓄水期对整个坝体的应力变形进行了计算分析研究。通过二种工况下的计算结果结合已有的工程监测数据验证三维有限元分析的合理性，并得出坝体应力变形结果满足使用要求。本次计算分析结果对实际工程的坝工设计有一定的参考价值。

碾压混凝土重力坝；混凝土面墙；永久式模板；应力变形

1 绪 论

混凝土面墙与预制混凝土模板的机理相似，是属于永久式模板，使之成为坝体的一部分。工程施工时常采用滑模机摊铺和振捣，进而浇筑形成的混凝土面墙。此工艺忽略拆除模板的工序，很大程度上可以节省工期，同时成为坝体的永久护面。混凝土面墙碾压混凝土重力坝上的成功应用，在坝工设计中显示出极大的优势。混凝土面墙技术的特点在大坝造价中也能体现优势，它可以明显降低施工模板的造价，减少混凝土浇筑时层间块间的间隔时间，同时满足快速施工、节省工期的特点。但是作为一种新兴技术，尚在大坝设计中技术还未成熟，需慎重考虑混凝土面墙处于挡水坝的迎水面，其渗流影响、应力应变能否符合混凝土重力坝的设计施工和运行观测要求，目前理论支撑不足，因此在工程结构构造的合理性上，基于面墙技术的在碾压混凝土重力坝中此方面的研究具有较高的应用价值。

2 工程概况

某水利水电枢纽工程开发任务以发电为主，兼具防洪、灌溉等。水库总库容2625万m3，正常蓄水位585m，电站装机总容量60MW，保证出力4.94MW，年均发电量17865万kWh。此枢纽工程主要建筑物为拱坝、左岸厂房、右岸引水发电系统和导流洞等建筑物组成。混凝土拱坝坝顶高程589.00m，坝底高程494m，最大坝高设计95m；3个溢流表孔设计在坝顶，堰顶高程575m，采用溢流泄洪，消能方式采用差动式挑流鼻坎消能，坝体平面布置如图1。

图1 平面布置图

2.1 计算工况

基本资料：坝顶高程593.00m，坝底高程498.00m。正常蓄水位590.00m，相应下游水位515.00m。淤沙高程506.00m。内摩擦角14°，浮容重8.5kN/m3。

2.2 模型建立

有限元分析模型计算对象以最大坝高坝段及坝基作为计算对象。模型选定的计算范围：上、下游自坝踵处各向延伸95m，竖直方向自坝基向下延伸95m。有限元模型计算单元划分采用SOLID45单元和SOLID65单元。计算模型共划分的单元数和节点数如下：单元总数19454个，节点总数22083个。计算模型网格划分如图2。

图2 施工期坝体网格划分图

2.3 材料参数

坝体材料物理力学、热学参数表如表1。

表1 坝体材料物理力学、热学参数表

2.4 边界条件

有限元计算模型定义的结构边界条件为：在上游和下游边界面施加相应链杆约束，左、右岸坝肩施加相应链杆约束，在大坝底部边界面施加三向约束。

3 计算结果

施工期是将坝体自重和温度荷载进行结构计算，根据温度场的计算结果，计算结果如图3、图4、图5。

图3 竣工时大坝x方向的正应力等值线图

图4 竣工时大坝剖面y方向的正应力等值线图

图5 竣工时大坝z方向的正应力等值线图

图3可得出，施工期的x方向主要为拉应力。大部分应力值较大的均分布在坝体底端，拉应力最大值0.10MPa。在大坝两端也存在部分压应力，主要分布区域在上游和下游面，坝基础出现最大值为0.24MPa。大坝中间部位也出现一些拉、压应力，但数值均偏小。

图4可得出，施工期的y方向主要为拉应力。大坝上游和下游面均出现一定的压应力。压应力最大值产生于坝基处，最大值为0.34MPa。上游和下游面的位置拉应力值相对大些，其中上游面出现最大值为0.36MPa。大坝中间部位也有压应力的产生。

图5中可得出，施工期z方向主要为压应力，拉应力产生区域相比极小，其应变数值均较小，最大值仅为0.08MPa。压应力由下游面到上游面逐渐变大，最大值产生于坝基处，最大值为1.32MPa。由上述数据可以推断施工期应力满足规范规定的结构强度要求

蓄水期使用有限元软件计算大坝坝体的应力应变情况，计算分析结果如图6、图7、图8。

图6 蓄水期大坝x方向的正应力等值线图

图7 蓄水期大坝y方向的正应力等值线图

图8 蓄水期大坝z方向的正应力等值线图

图6中可得出，蓄水后x方向主要为压应力，数值分布均匀，大小保持在0.14MPa左右。坝基底部出现压应力最大值，其值为0.95MPa。应力分布规律与施工期基本保持一致，但数值基本偏大。分析由于蓄水后大坝上游x方向上的压应力均呈现减小趋势，导致坝基处出现部分拉应力，其值均较小，拉应力最大值通过计算仅为0.06MPa。

图7中可得出，蓄水后y方向主要为压应力，数值均不大，大小保持在0.08MPa左右。同时蓄水后部分区域出现较小的拉应力，拉应力最大值出现在大坝上、下游的坝基处，与施工期的分布规律保持一致。

图8中可得出，蓄水后z方向主要为压应力，此应力分布规律随着大坝高度的减小应力值缓慢变大，最大值出现于坝基处，其值为0.66MPa。拉应力出现范围局限，大坝中央部分很显著，其次也在坝基处小范围的分布着。比较明显的是在混凝土面墙和大坝的结合处存在拉应力，其最大值为0.14MPa。以上计算结果验证了蓄水期的应力变形满足规范规定的结构强度要求。

4 结 论

本文结合工程实例对某水利枢纽工程进行的有限元数值仿真计算分析，得出碾压混凝土重力坝和混凝土面墙在不同工况下的应力变形均符合规范的强度和结构要求，计算结果准确，与工程实测数据相比均比较符合，由以上计算结果表明：基于面墙技术的碾压混凝土重力坝是可以应用到工程实际中。这项新技术与传统工艺相比，特点显著，现目前在已建的工程实例均可以借鉴，并取得了很好的技术和经济价值。后期将做进一步理论研究，研究在结构适用性上的合理性，对这种技术的普及提供一定的理论价值和指导意义。

[1]张镜剑.碾压混凝土坝的历史、现状和趋势[J].华北水利水电学院学报，2000(03)：1-7

[2]余卫平,耿克勤,汪小刚,等.某水电站碾压混凝土坝三维非线性有限元分析[J].水利与建筑工程学报，2006(02)：6-10.

1007-7596(2017)04-0023-03

2017-03-06

武力(1974-)，男，黑龙江哈尔滨人，工程师。

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