夹岩水库堆石坝一期面板施工期裂缝有限元建模分析

钟 勋，谭剑波

（1.贵州省水利投资（集团）有限责任公司，贵阳550001；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100）

混凝土面板作为堆石坝重要的防渗结构，其施工质量、整体性和耐久性会直接影响到水库大坝能否稳定运行及功能能否正常发挥［1-2］。裂缝不仅会破坏混凝土面板的结构稳定性和整体性，且水经裂缝进入混凝土内部，在反复冻融破坏、水流冲刷和碳化等综合作用，会导致混凝土劣化，使其结构性能逐渐衰退丧失，最终威胁到整个大坝的运行安全［3-4］。

夹岩水利枢纽工程是国务院2014～2020年分布建设的172项重大水利工程之一，同时也是贵州“十二五”期间开工建设的“一号工程”，总投资186.49亿元［5］。夹岩水库堆石坝一期面板混凝土于2019年3月7日开始浇筑，2019年4月26日浇筑结束。截止2019年8月29日，共发现裂缝49条，多为水平向分布。针对面板裂缝状况，利用沈珠江院士提出的“南水”双屈服面的弹塑性模型，以精细化仿真为手段，系统分析面板裂缝的主要影响因素，合理掌握裂缝发生和发展规律，以便为施工期面板防裂提出合理措施建议。

1 工程资料及裂缝情况

1.1 工程概况

夹岩水利枢纽工程位于毕节市与遵义市境内，工程涉及毕节、遵义2个地级市10个区（县）。夹岩水库正常蓄水位1323.0m，死水位1305.0m，水库总库容13.23亿m3，兴利调节库容4.34亿m3。设计灌溉面积6万hm2，多年平均年配水量6.88亿m3。大坝采用混凝土面板堆石坝，坝顶高程1328m，坝顶长428.93m，坝顶宽10.0m，河床部位趾板最低建基面高程1174.0m，最大坝高154.0m。工程总体等别为Ⅰ等，属大（1）型工程。

1.2 一期面板裂缝基本特点

截止2019年8月29日共发现裂缝49条，裂缝总长度503.01m，裂缝分布情况如图1。

图1 大坝一期面板混凝土裂缝分布

一期面板具有以下特点：①裂缝多产生在II序块上。经统计，10块II序面板有7块出现裂缝，共计47条；10块I序面板中，仅1块出现裂缝计2条。I序面板出现裂缝的比例为10%，II序面板出现裂缝的比例为70%。②裂缝多为浅表层裂缝。最大裂缝宽度为0.14mm，最大裂缝深度为10cm，均为浅表层裂缝，均属Ⅰ类裂缝（浅层裂缝）。③裂缝多呈水平向贯通展布。一期面板产生的49条裂缝全部为水平分布，其中46条裂缝长度贯通于面板宽度方向，贯通率达到94%。④裂缝多出现在面板长度中部。高程集中在1205.0～1225.0m之间。⑤裂缝所在面板浇筑时间多集中在高温天气。一期20块面板中，产生裂缝的6块II序面板浇筑时间集中在4月8～26日，该时间段多为晴好天气，日最高气温多在25℃以上，产生裂缝面板在浇筑时间上呈明显集中现象。

2 计算模型及材料参数

夹岩水库大坝进行坝体应力变形分析时，堆石料结构采用沈珠江院士提出的“南水”双屈服面的弹塑性模型，相比单屈服面模型，其可以模拟堆石体的剪胀和剪缩特性，能很好地模拟反映不同应力路径下的坝体应力应变性状［6］。由于堆石坝混凝土面板结构与坝体填筑材料间的刚度存在较大差异，荷载作用下结构体间接触面因应力变形不一致出现相对位移，导致裂缝产生。为真实反映混凝土面板与坝体填筑材料间的相互应力变形位移作用，采用有限元进行分析时，应充分考虑两者间的接触特性。根据相关研究成果及类似工程应用实践，此处采用Goodman无厚度单元进行模拟仿真计算。混凝土面板周边缝接缝材料按连接单元进行模拟，而垂直缝则按分离缝模型模拟，其中分离缝可张开和错动，但不能压缩。大坝面板及填筑分期示意如图2。

图2 大坝面板及填筑分期示意

垫层料2A、过渡料3A、主堆石料3B和次堆石料3C1和3C2的静力计算参数通过三轴试验确定；主堆石料3B、次堆石料3C1及3C2的流变参数通过三轴试验确定，其他堆石料参数则通过工程类比确定。为安全起见，次堆石3C1采用孔隙率为21%、试验密度2.22g/cm3的建筑开挖料（该料与相同级配、同等孔隙率条件下的灰岩料相比，力学性能略差）。坝体填筑材料参数和流变参数计算成果如表1，表2。

表1 “南水”模型及材料特性参数计算成果

表2 流变参数计算成果

3 计算结果分析

3.1 面板约束条件对面板裂缝影响

面板主要受4个面的约束，其中底面受坝体堆石体的约束，下部受大坝趾板约束，左右两侧受相邻Ⅱ序面板约束。面板底面由于设计考虑了在挤压边墙表面喷涂5mm厚的乳化沥青，可有效减小堆石体对面板的约束。面板下部通过边缝与大坝趾板衔接，周边缝宽12mm，缝内填塞12mm厚沥青硬木板，可有效减小堆石体对面板的约束。面板左右两侧通过垂直缝与相邻Ⅱ序面板衔接，垂直缝宽12mm，缝内填塞12mm厚聚乙烯闭孔塑料板，相邻Ⅱ序面板的约束非常有限。分析结果表明，面板约束条件非常有限，其对面板约束而导致裂缝的可能性较低。

3.2 坝体沉降对裂缝影响

经坝体变形三维有限元分析，坝体及面板变形、应力分布情况，如图3～图8。

图3 浇筑期河床断面沉降分布

图4 竣工期河床断面沉降分布

图5 面板浇筑完面板挠度分布

图6 竣工期面板挠度分布

图7 面板浇筑完面板顺坡向应力分布

图8 竣工期面板顺坡向应力分布

经坝体变形三维有限元分析计算，一期面板浇筑时坝体最大沉降量41.1cm，发生在河床坝段高程1238.0m；竣工期坝体有限元计算最大沉降量52.5cm，发生在河床坝段高程1260.0m。而上述时段坝内安全监测的最大沉降量分别为17，38cm，监测成果较理论计算成果略小，但分布规律基本一致，说明安全监测成果基本可靠。

根据安全监测布置，距离面板最近的大坝沉降测点主要有MB26下方高程1218.0m的SG1、高程1235.0m的SG11、高程1260.0m的SG19。由监测成果可知，SG1，SG11，SG19截止2019年8月15日的沉降量分别为47.28，42.77，110.01mm；在一期面板浇筑前的2019年2月26日的沉降量分别为47.03，34.03，50.0mm； 一 期 面 板 浇 筑 后 高 程1218.0，1235.0，1260.0m 沉 降 变 形 分 别 增 加 为0.25，8.74，60.01mm。 除高程1260.0m变形增加较多外，其余变形量变化较小。通过内插得面板顶部高程1254.0m最大沉降量为47.5mm，约为面板长度的1/2800，坝体沉降对面板裂缝影响较小。根据面板顶部高程1254.00m布置的5个临时综合位移测点监测数据知，2019年5月23日～8月15日一期面板顶部累计沉降-5.62～15.61mm，面板累计沉降量较小，因大坝沉降引起的面板裂缝可能性较小。从面板挠度监测、脱空监测、钢筋应力监测、混凝土应变监测等数据均较为正常，未出现较大应力应变，说明坝体沉降对面板受力条件未产生明显影响，可辅助证明大坝沉降引起的面板裂缝可能性较小。

目前面板裂缝多分布II序块上，如果裂缝是因大坝沉降引起，在I序块上也应出现裂缝，综合分析说明大坝沉降不是面板裂缝产生的主要因素。

3.3 入仓温度对面板裂缝影响

面板浇筑次序按 “先奇数后偶数、先两岸后中间”原则进行。面板浇筑顺序、混凝土浇筑温度与裂缝条数间的关系，如图9和图10。

图9 面板浇筑顺序

图10 混凝土入仓温度～混凝土裂缝条数关系曲线

由图9和图10可知，面板裂缝出现随浇筑温度的升高呈明显的增加趋势，混凝土浇筑温度高于20℃的面板发生裂缝条数共计47条，占总裂缝条数的96%。产生裂缝最多的面板为MB26及MB24，分别为14条和10条。混凝土入仓温度达到27.7～26.9℃，说明面板裂缝产生与混凝土入仓温度有密切关系，可能是面板产生裂缝的主要因素。

3.4 环境气温对面板裂缝影响

一期面板浇筑时间为3月7日～4月26日，出现裂缝的面板多为4月份浇筑的面板。查天气后可知， 毕节市2019年3～6月份平均最高气温为13.3，23.1，20.9，25.3 ℃，4月份平均气温比3月份高9.8℃。面板混凝土浇筑气温～混凝土裂缝条数关系，如图11。

图11 浇筑环境气温～混凝土裂缝条数关系曲线

由图11可知，面板裂缝出现随气温的升高呈明显的增加趋势，浇筑气温高于25℃的面板发生裂缝条数共计45条，占总裂缝条数的92%。产生裂缝最多的面板为MB26及MB24，产生裂缝分别为14条和10条。混凝土浇筑时环境气温最高达到27～29℃，说明面板裂缝产生与浇筑环境气温有密切关系，可能是面板产生裂缝的主要因素。

4 结语

结合夹岩水库堆石坝结构特点及实际施工条件，采用三维有限元模拟坝体逐级施工填筑过程，对一期面板混凝土在面板约束、坝体沉降、混凝土入仓温度及浇筑环境气温条件下的应力变形进行了分析。裂缝致因研究成果表明：面板约束和坝体沉降均处于合理范围内，其造成面板裂缝的可能性较小；面板裂缝出现随浇筑温度和浇筑环境气温的升高呈明显增加趋势，水化温升与环境温差是面板产生裂缝的主要因素。