KLYML水库大坝沥青混凝土面板接头变形有限元分析

孙粤琳，克里木，柳 莹

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 研究背景

常规钢筋混凝土面板坝通常在面板上设置很多结构缝包括周边缝和垂直缝等，以达到施工方便和减少面板开裂的要求。这些结构缝成为面板防渗体系中的薄弱环节，其止水缺陷或者失效可导致接缝集中渗漏和大坝的严重变形，对大坝整体安全构成威胁甚至引发溃坝事件[1-6]。与普通钢筋混凝土面板相比，沥青混凝土面板自身结构缝少，具有更好的防渗能力，且变形适应能力强、施工速度快、一旦出现缺陷便于修补和工程维修，在我国水利水电工程中获得了越来越多的应用[7-8]。沥青混凝土的渗透系数小于1.0×10-8cm/s，且沥青混凝土面板整体性好不需分缝，可以达到较高的防渗标准。随着改性沥青混凝土技术的日益成熟，沥青混凝土面板的低温抗裂问题得到很好解决，国内已有寒冷或严寒地区修建沥青混凝土面板坝的成功案例[9]，比如呼蓄上库沥青混凝土面板工程，地处严寒地区，年平均温度1.1℃，极端最低气温-41.8℃[10]，呼蓄电站目前渗漏量仍处于较低水平[8]。根据国内已建抽蓄电站沥青混凝土面板实测资料，沥青混凝土面板本身渗漏量很小，大坝渗漏量主要产生于进、出水口周边结构缝[11]。因此，沥青混凝土面板坝进水口与面板之间的接头是大坝防渗体系中的关键一环。目前针对沥青混凝土面板接头结构的研究甚少，本文结合具体工程，旨在通过有限元模拟计算分析沥青混凝土面板各典型部位接头的变形，为接头的具体设计提供依据。

新疆KLYML水库工程是一座注入式控制性水利枢纽，工程等别为Ⅲ等，工程规模中型。水库三面筑坝，大坝为沥青混凝土面板坝，坝顶高程1126.20 m，正常蓄水位1123.20 m，坝顶宽6 m。供水灌溉洞（明挖方案）由供水灌溉涵洞、闸井、输水涵洞和输水渠道组成，供水灌溉洞口布置在坝线溪沟右侧上游，为有压涵洞，闸井布置在凹槽段右侧坝端的坝体坡角处。进水塔设计如图1和图2所示为塔式双进水口，塔体置于上游坝坡之中。由于沥青混凝土面板本身的防渗性能相对可靠，为了保证防渗体系的整体有效性，面板与供水灌溉洞之间的接头必须具备一定的变形能力，以适应两者的相对变形，因此有必要对进水塔塔身与面板上游坝坡之间的接头以及大坝底部灌溉洞进水口与面板之间的接头的变形进行计算。

图1 KLYML供水灌溉洞纵断面图

图2 进水塔工作门槽中心线剖面图

2 有限元模型

在供水灌溉洞穿过坝段沿坝轴线方向截取40 m宽度，建立进水塔及进水口与面板之间接头的有限元模型。模型在顺河方向从面板底部往上游侧延伸50 m，下游侧从进水塔底部开始截取140 m，在竖直方向从进水塔底板往下取40 m。有限元模型见图3，包括地基、坝体、垫层、面板、进水塔、进水口和供水灌溉洞，模型总共包含174 500个单元和167 553个节点，其中进水塔、进水口和灌溉洞混凝土结构与坝体及地基之间采用接触面单元，见图4。有限元模型在地基底部施加固定约束，上、下游两侧边界施加顺河向法向约束，左、右岸两侧边界施加横河向法向约束。

图3 KLYML供水灌溉洞与面板之间接头的有限元模型

图4 有限元模型中的接触面单元

3 计算参数及荷载

有限元模型中的沥青面板、垫层、坝体填筑料和地基砂砾石料均采用邓肯张E-B本构模型，塔体、进水口和洞身的混凝土材料以及泥岩基础采用线弹性本构模型。具体计算参数见表1和表2。其中坝基砂砾料的参数采用饱和固结排水三轴剪切试验结果整理的模型参数，坝体砂砾料和垫层料的参数根据工程类比得到。

表1 邓肯张E-B模型参数

表2 线弹性材料参数

根据《水利水电工程进水口设计规范》（SL258-2003）和《水闸设计规范》（SL265-2001）关于建基面与土质地基之间抗剪强度的规定，进水塔和进水口混凝土结构与大坝之间接触单元的参数，即摩擦系数的取值见表3。

表3 进水塔及进水口与坝体之间的摩擦系数

计算分析考虑两种工况，即完建竣工期和正常蓄水期，计算模拟大坝的施工填筑和蓄水过程，主要考虑坝体自重和水荷载的作用，通过有限元程序中的初始应力场输入输出、生死单元功能及多荷载步计算方法实现。其中正常蓄水期的上游水位为1123.20 m，水荷载施加在沥青面板迎水面、进水塔出露于面板以上水位以下的外表面、进水口外露面，以及进水口在工作闸门上游侧的内表面。

4 接头变形成果分析

由于计算过程使用初始应力法，每一荷载步得出的位移是该荷载步下的增量，因此面板和接头的变形成果均为位移增量。接头变形依据的是接头部位两侧结构的相对变形，包括张开变形、剪切变形和沉陷：张开变形的方向垂直于接缝平面，以张开为正，压缩为负；剪切变形平行于接头的长度方向；沉陷平行于接头的高度方向。

图5 竣工期进水塔与面板之间接头的变形沿接头长度的变化

4.1 竣工期成果分析竣工期进水塔与面板之间四个接头的三向位移见图5。图中的横轴为接头长度方向，其中顶部和底部接头均从左岸指向右岸为正，两岸侧接头均从顶高程指向底高程为正。从图中可以看出竣工期进水塔与面板之间接头的变形特征值：（1）进水塔与面板之间顶部接头的张开位移和剪切位移分别小于0.0和0.2 cm，沉陷的最大值为2.57 cm；（2）进水塔与面板之间底部接头处三向变形，即张开位移、剪切位移和沉陷的最大值分别为5.61、0.79和1.60 cm；（3）进水塔与面板之间左侧接头的张开位移小于0.1 cm，剪切位移和沉陷的最大值分别为1.39和2.99 cm；（4）进水塔与面板之间右侧接头的张开位移小于0.0 cm，剪切位移和沉陷的最大值分别为1.50和1.69 cm。

竣工期进水口与面板之间三个接头的三向位移见图6。图中的横轴为接头长度方向，其中顶部接头均从左岸指向右岸为正，两岸侧接头均从顶高程指向底高程为正。从图中可以看出竣工期进水口与面板之间接头的变形特征值：（1）进水口与面板之间顶部接头的张开位移小于0.0 cm，剪切位移和沉陷的最大值分别为0.09和0.55 cm；（2）进水口与面板之间左侧接头的张开位移小于0.4 cm，剪切位移和沉陷的最大值分别为3.24和2.30 cm；（3）进水口与面板之间右侧接头的张开位移小于0.1 cm，剪切位移和沉陷的最大值分别为3.62和2.85 cm。

图6 竣工期进水口与面板之间接头的变形沿接头长度的变化

4.2 正常蓄水期成果分析正常蓄水期进水塔与面板之间四个接头的三向位移见图7。从图中可以看出正常蓄水期进水塔与面板之间接头的变形特征值：（1）进水塔与面板之间顶部接头的最大张开位移、剪切位移和沉陷分别为1.28、0.53和1.37 cm；（2）进水塔与面板之间底部接头的最大张开位移、剪切位移和沉陷的最大值分别为0.38、0.20和0.57 cm；（3）进水塔与面板之间左侧接头的最大张开位移、剪切位移和沉陷分别为0.72、1.25和0.95 cm；（4）进水塔与面板之间右侧接头的最大张开位移、剪切位移和沉陷分别为1.11、1.21和1.05 cm。

图7 正常蓄水期进水塔与面板之间接头的变形沿接头长度的变化

图8 正常蓄水期进水口与面板之间接头的变形沿接头长度的变化

正常蓄水期进水口与面板之间三个接头的三向位移见图8。从图中可以看出正常蓄水期进水口与面板之间接头的变形特征值：（1）进水口与面板之间顶部接头的张开位移小于0.06 cm，剪切位移和沉陷的最大值分别为0.08和0.33 cm；（2）进水口与面板之间左侧接头的张开位移、剪切位移和沉陷的最大值分别为1.05、0.20和0.79 cm；（3）进水口与面板之间右侧接头的张开位移、剪切位移和沉陷的最大值分别为0.67、0.22和1.31 cm。

4.3 接头接触参数的影响面板与进水塔和进水口的相对变形除了受外荷载和材料力学特性的影响外，也与两者之间接头的接触参数，即摩擦系数f有很大关系。摩擦系数越大，混凝土结构与面板之间相对变形越小，但有可能引起面板局部约束过大产生较大应变；而摩擦系数越小，接头的约束作用越小，面板的局部应变越小，但是有可能造成接头变形过大。为了分析接头处摩擦系数f的影响，考虑f=0的极端情况。其中正常蓄水期进水塔与面板接头的三向位移见图9，进水口与面板接头的三向位移见图10。

图9 正常蓄水期进水塔与面板之间接头的变形沿接头长度的变化（f=0）

从图中可见，面板与进水塔和进水口之间接触单元摩擦系数降低为0后，进水塔和进水口与面板之间相对滑动更为容易，接头的三向最大变形均有明显增大，在正常蓄水期水荷载的作用下，张开、剪切和沉陷的最大增量位移可达6.6、6.46和12.1 cm。

图10 正常蓄水期进水口与面板之间接头的变形沿接头长度的变化（f=0）

5 结语

通过对KLYML水库沥青混凝土面板坝供水灌溉洞坝段的精细化有限元计算，得到进水塔及进水口与面板之间接头在竣工期和正常蓄水期的三向变形。计算成果表明，供水灌溉洞与面板之间接头的变形较大：在拟定的接头摩擦系数下，最大张开位移为5.61 cm，发生在面板与进水塔之间的底部接头；最大剪切位移为3.62 cm，发生在面板与进水口之间的右侧接头；最大沉陷值为3.69 cm，发生在面板与进水塔之间的左侧接头。当进水塔和进水口混凝土结构与面板之间结合力较弱的时候，接头变形会明显增加，当进水塔和进水口与面板之间接头的摩擦系数降为0时，在正常蓄水期水荷载的作用下，张开、剪切和沉陷的最大增量位移可达6.6、6.46和12.1 cm。在具体的接头结构设计中需要选择合适的结构形式和接缝材料以适应上述变形。