碾压混凝土拱坝横缝开度与横缝灌浆影响研究

杨 琼，王振红，汪 娟，李 辉

(1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.中国水利水电科学研究院结构材料所，北京100038)

0 引 言

温度应力是混凝土拱坝的主要荷载之一。为降低混凝土的温度应力，混凝土坝在坝轴线方向一般分成几个坝段施工，坝段与坝段之间设置横缝，满足一定条件后进行接缝灌浆，使得各坝段成为一体、联合受力。对于中小型拱坝，常规的做法是先把坝体混凝土浇筑完毕，施工到坝顶，然后进行坝体纵缝和横缝的接缝灌浆，使得各坝段形成为一个整体拱形，联合受力。随着高拱坝地出现，需要解决很多新的问题，诸如倒悬问题、高差问题、高坝带来的自重等应力问题，以及满足施工期的进度和蓄水要求等。目前解决这些问题的方法是在拱坝上部混凝土的施工的同时，底部混凝土进行封拱施工，以改善混凝土受力性态[1]。拱坝接缝灌浆受施工进度、混凝土龄期、温度和上部混凝土层厚等条件制约，也与坝体的悬臂高度限制条件相互制约[2]。

通常认为灌浆水泥体的强度远低于坝体混凝土本体强度，不能承受太大的拉应力，且从一些已建成坝体灌浆材料的检测结果来看，横缝的灌浆效果并不是完全保证达到预期。鉴于此，本文依托某水利枢纽拦河坝，采用三维有限元仿真模拟拱坝混凝土施工期全过程，研究接缝灌浆与温度、应力、悬臂高度以及横缝开度方的影响规律，为拱坝接缝灌浆施工提供参考。

1 基本原理

1.1 热传导方程[3]

热传导方程如下

(1)

其边界条件为

(2)

(3)

(4)

1.2 应力计算原理

在时段Δτn内产生的应变增量为

(5)

进行整体单元集成，可得整体平衡方程

[K]{Δδn}={ΔPn}L+{ΔPn}C+{ΔPn}T+
{ΔPn}0+{ΔPn}S

(6)

式中，[K]为区域R混凝土刚度矩阵；{Δδn}为区域R内所有节点3个方向上的位移增量；{ΔPn}L为外力贡献的节点力增量；{ΔPn}C为徐变贡献的节点力增量；{ΔPn}T为温度贡献的节点力增量；{ΔPn}0为自生体积变形贡献的节点力载增量；{ΔPn}S为干缩变形贡献的节点力增量。

1.3 横缝计算原理

计算软件采用中国水利水电科学研究院张国新教授开发的SAPTIS[4]软件系统。该计算软件里面包含有厚度缝单元和无厚度缝单元[5- 8]，可以模拟计算各种类型的缝，且均可以设置抗拉与抗剪强度。仿真计算时，缝单元在没有破坏前且还处于粘结状态时，其受力与变形为连续；当缝的拉应力超过其抗拉强度时，表现为张拉破坏，剪应力超过抗剪强度时表现为剪切破坏。

1.4 横缝单元的灌浆模拟

接缝灌浆的模拟根据工程接缝灌浆的要求来进行。SAPTIS程序中的缝单元厚度以缝的张开宽度作为标准，灌浆材料填充到缝单元内部，同时输入缝单元的抗拉和抗剪强度，及法向、切向刚度[4]。设缝张开度为δi，根据式(7)，设置缝单元的法向和切向刚度。

(7)

2 工程概况

2.1 工程概况

某水利枢纽工程为引汉济渭枢纽工程建筑物之一，大坝为碾压混凝土拱坝，坝底高程501 m，坝顶高程646 m，正常蓄水位643 m。由拱坝、泄洪洞、泵站、引水隧洞、输水隧洞等建筑物组成。该工程建成后，主要任务是向缺水的关中地区调水，满足西安、咸阳、渭南、杨凌4个重点城市及沿渭河两岸的11个县城5个新城和1个工业园区的生活及工业用水，为关中—天水经济区发展提供水源支撑，同时兼顾发电。

2.2 混凝土材料热力学参数

大坝为碾压混凝土拱坝，中间部位为三级配碾压混凝土，上下游面附近一定范围为有三级配常态混凝土和二级配碾压混凝土，这3种混凝土的材料性能参数见表1和表2。

表1混凝土的热学性能参数

表2 混凝土弹性模量 GPa

3 接缝灌浆与横缝开度规律研究

3.1 计算模型及网格

仿真计算考虑周围一定范围地基，底部和左右两侧山体取2倍最大坝高。拱坝整体计算模型如图1所示，总单元数246 128个，结点总数289 880个。坝体材料有A区(拱坝内部三级配碾压)、B区(拱坝内部二级配碾压)、C区(闸墩、牛腿等部位常态)和D区(上下游坝面变态混凝土)。

图1 整体计算模型

3.2 计算边界条件及工况

采用三维有限单元法模拟拱坝混凝土施工期全过程，包括混凝土通水冷却过程、接缝灌浆过程等。根据推荐温控措施，计算拱坝施工过程中的温度应力、横缝开合过程中的变形特性。力学边界条件为基础底面全约束、侧面法向约束；热学边界条件为，坝体蓄水前与空气接触的面为环境气温+2℃辐射热，蓄水后水位以上为环境温度+2℃辐射热，水位以下为水温边界。

根据提供的浇筑进度方案和推荐的温控措施，全过程模拟拱坝跳仓及灌浆，其中，龄期为260 d满足混凝土拱坝设计规范[9]，在此基础上，研究横缝开度与灌浆方案的规律，以及对温度场应力、悬臂高度的影响规律。

3.3 温度场和温度应力仿真计算结果

温度场和温度应力计算时模拟了施工全过程，包括各坝段之间的跳仓顺序和间歇期、水管冷却方式、表面保温力度等，计算荷载包括混凝土温度、环境温度、徐变、自生体积变形、自重荷载等。本文选取温度场出现的最高温度以及横河向的最大应力进行分析。

3.3.1温度控制及变化规律分析

拱坝温度包络图见图2。从图2可以看出，拱坝上下游面出现最高温度的位置大致相同，这与浇筑过程有关，高温区域是在高温季节浇筑，低温区域是在低温季节浇筑；上游面表面最高温度高于下游面最高温度，这与上下游面的保温力度有关。泄流孔坝段计算显示，在4月～10月浇筑的坝体混凝土，最高温度均超过了26 ℃。

图2 拱坝温度包络图

高温季节浇筑的混凝土仓面温度偏高，施工时要做好仓面保温工作，以防温度倒灌。考虑到上游面的最高温度高于下游面的最高温度，需要采取措施控制上游面的最高温度。对于高温季节浇筑的约束区混凝土(包括陡坡坝段、孔口区)，可考虑适当降低一期冷却水温，以使得最高温度得到更好控制，减小后期应力。

3.3.2应力控制及变化规律分析

各坝段上下游面最大应力包络图见图3。从图3可以看出，受基础约束影响，拱坝大应力区主要位于基础约束区，尤其是两侧的陡坡坝段。除去应力集中外，施工期横河向基础约束区最大温度应力可达到2.5 MPa左右；计算结果同时显示，最大温度应力一般出现在二期冷却末混凝土温度达到接缝灌浆温度时，非约束区内部应力相对较小，上下游表面应力相对较大，混凝土抗裂安全系数偏低，存在开裂风险，应做好表面保护工作。靠近基础部位局部出现拉应力超标现象(缝端)，可通过加强配筋等措施控制裂缝发生。

图3 各坝段最大应力包络图

3.4 横缝开度

实际工程中，拱坝横缝的张开受坝体悬臂高度、盖重高度、相邻坝块高差、混凝土自生体积变形、温降幅度[10-11]以及浇筑季节等多种因素影响，横缝开合规律和大小是非常复杂的。本文通过改变灌浆龄期，观察横缝开度的大小，在符合规范的基础上对灌浆方案进行优化。限于篇幅，选取5号坝段进行分析。典型高程温度和横缝开度过程线见图4。

图4 典型高程温度和横缝开度过程线

从图4可以看出，拱坝横缝开度主要受坝体混凝土温度影响，拱坝混凝土温度升高时，横缝基本处于挤压闭合状态。受拱坝混凝土内部水管的影响，混凝土温度逐渐降低，横缝也逐渐由闭合向张开状态转化，拱坝混凝土降低到最低温度时也即拱坝降低到封拱温度时，拱坝横缝开度达到最大值。计算结果显示，该工程大部分区域的横缝开度达到了4.5 mm以上，最大可达到9 mm左右。

图5 高程方向上横缝开度与温度相关性(5号横缝)

图6 不同灌浆龄期横缝开度沿高程分布规律

高程方向上横缝开度与温度相关性见图5，不同灌浆龄期横缝开度沿高程分布规律见图6。由于横缝开合的规律和大小是复杂的，从图5可以看出，横缝开度和发展变化规律除了与混凝土温度密切相关外，也与浇筑季节和拱坝部位有关，一般来说，低温季节浇筑的混凝土由于最高温度低，温降幅度小，横缝开度也相对较小，但是基本也在4.0～5.5 mm之间，满足接缝灌浆要求；高温季节浇筑的混凝土，因其最高温度相对较高，降温至封拱温度时的降温幅度也较大，横缝的开度就大，本工程大多数横缝开度达到4.5～8.5 mm。从图6可以看出，横缝开度随着灌浆龄期的不同而有所差异。从计算结果可知，该拱坝适当推迟灌浆龄期，横缝开度是增大的。

4 结 论

(1)拱坝高度方向的温度分布与浇筑季节密切相关，保温力度影响着上下游面的表面最高温度；高温季节浇筑混凝土仓面气温偏高，应做好仓面保护工作，以防温度倒灌。受基础约束影响，拱坝大应力区主要位于基础约束区，最大温度应力一般出现在二期冷却末温度达到接缝灌浆温度时刻。

(2)按照实际浇筑进度和灌浆进度，拱坝最大悬臂高度约30 m。在拱坝混凝土设计施工方案、接缝灌浆进度条件下，拱坝悬臂高度即便达到最高时，下游表面不会出现明显的大拉应力区。

(3)横缝开合规律和大小受施工季节、混凝土降温幅度、坝块相邻高差、坝体悬臂高度等影响。温度升高时，拱坝横缝挤压闭合，混凝土温度逐渐降低，横缝也逐渐由闭合向张开状态转化，拱坝混凝土降低到最低温度时也即拱坝降低到封拱温度时，拱坝横缝开度达到最大值；低温季节浇筑的混凝土，坝体横缝开度相对小些，高温季节浇筑的混凝土，横缝开度相对大；横缝开度随着灌浆龄期的不同而有所差异，可通过改变灌浆龄期，在符合规范的基础上对灌浆方案进行优化。