大石牛水电站拱坝诱导缝分缝设计方案及作用分析

2021-05-17李爽

水利科学与寒区工程 2021年2期

李爽

(辽宁省汤河水库管理局有限责任公司,辽宁辽阳 111000)

1 工程背景

大石牛水电站位于辽宁省丹东市凤城市境内爱河干流草河支流上，是一座以防洪和发电为主，兼有养殖和旅游等诸多功能的综合性水利枢纽工程[1]，设计库容2430万m3，装有3台8 MW的贯流式发电机组，装机总容量24 MW，设计年发电量1.2亿kW·h[2]。水电站的大坝为碾压混凝土拱坝设计，最大坝高66 m。由于拱坝在施工过程中多采取大面积连续上升的高强度作业方式，因此在温度荷载作用下产生的裂缝问题比较突出，对大坝结构的整体性与可靠性产生不利影响。在温控措施中，合理设置诱导缝能够有效改善坝体的约束条件，对大坝的温控防裂具有关键性的作用[3]。诱导缝是碾压混凝土拱坝建设中，在缝断面埋设的中间存在一定缝隙的双层混凝土板或金属板[4]。诱导缝的主要作用是在拱坝的缝断面受到拉应力作用时可以率先开裂，从而使拉应力获得释放，避免周围混凝土结构产生裂缝破坏，以保证大坝混凝土结构在温度荷载作用下的安全稳定[5]。基于此，本文提出了大坝诱导缝的具体设计方案，利用ANSYS大型通用有限元软件对其作用进行分析和评价。

2 诱导缝设计方案

碾压混凝土拱坝不设置诱导缝，会导致十分严重的坝体温度开裂。因此，合理设置分缝是拱坝设计中十分重要的环节。国内的工程主要采用诱导缝和横缝相结合的分缝方式。由于大石牛水电站大坝坝高不大，横缝施工比较复杂，不利于施工进度的控制。因此仅在坝体的合适部位设置一定数量的诱导缝，在减少工程干扰的情况下，达到控制温度裂缝的目的。结合碾压混凝土拱坝分缝实践以及大石牛水电站大坝的实际情况，拟从左向右分别设置6条重力式预制混凝土板双向间隔诱导缝，其桩号分别为0+031.52、0+084.13、0+137.13、0+206.43、0+279.53、0+354.45。诱导缝的预制混凝土板的长和高为1.0 m和0.3 m，相邻诱导缝之间的纵向和横向间距分别为0.6 m和1.5 m。

3 ANSYS有限元计算模型

3.1 有限元模型的构建

ANSYS 有限元软件是ANSYS 公司推出的一款大型商用有限元软件，功能十分完善和强大，可以通过与CAD数据的交换，实现模型的简单调整，提升网格划分的合理性与有效性，可以节省大量的计算时间[6]。APDL是ANSYS 有限元软件的参数化设计语言，利用ANSYS 有限元软件进行优化分析，可以大幅缩减优化设计过程中的工作量，进而提高分析的效率[7]。因此，本次研究选择ANSYS 有限元软件，以水电站的实地测量结果及设计平面图为依据，进行数值计算模型的构建。研究中选取邓肯模型作为模拟计算的本构模型，将坝体视为线弹性材料[8]。对大坝进行三维实体建模，模型以坝轴线指向右岸的方向为X轴正方向，以大坝向下游方向为Y轴正方向；以竖直向上的方向为Z轴正方向，模型向上下游分别延伸3倍坝高，向底部延伸1.5倍坝高，模型的长度取50 m。模型的网格划分采用空间六面体等参单元，125 m高程以下为坝体的强约束区，125～134 m高程部位为弱约束区，134 m 高程以上部位为自由区。鉴于在有限元分析过程中需要预先进行热分析，拱坝的外表面多为弧形或扭曲边界，因此选择20节点的高阶三维实体单元进行模型的网格单元划分，以提升模型分析的精度。最终，整个模型共划分为20 980个网格单元，21 247个计算节点。由于坝体基础均为同性岩石材料构成，因此将模型的所有部分均视为各向同性的线弹性材料。根据相关研究成果，矩形诱导缝可以简化为等效的椭圆形诱导缝，以降低计算难度，其长轴和短轴分别为矩形诱导缝的长和宽。有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

3.2 边界条件和计算参数

计算模型的温度边界条件为大坝上游面水位以上的部位为大气气温加2 ℃，以模拟辐射热的作用和影响，上游面水位以下的部位取库水温；与上游面类似，大坝下游面水位以上的部位为大气气温加2 ℃，下游面水位以下的部位取库水温；混凝土浇筑仓面的温度为气温加2 ℃。模型地基的各个侧面设定为法向位移约束；模型的底面为全位移约束。诱导缝部位的计算单元按照1.415 MPa的等效强度作为法向抗拉强度。

4 结果与分析

4.1 应力场模拟计算结果与分析

研究中利用已构建的模型，对大坝施工期至运行期的应力分布情况进行模拟计算，并从计算结果中提取大坝不同部位的最大温度应力，结果如表1所示。由计算结果可知，大坝坝体的应力分布与温度分布特征基本一致，符合一般规律。受环境温度的影响，每年的高温季节的坝体混凝土温度应力相对较大，低温季节则相对较小，呈现出比较明显的周期性。由表1可知，坝体内部不同部位混凝土的最大温度应力值均小于8.5 MPa的C25混凝土抗拉强度值，并有较大的冗余量，完全满足相关工程设计要求。

表1 坝体混凝土温度应力最大值

4.2 诱导缝开裂情况分析

利用大坝应力场模拟计算结果，对诱导缝的开裂情况进行预测分析。为了分析简便，并不进行断裂力学的分析，而建设诱导缝局部开裂产能的缝端应力作用可以导致继续开裂。本文仅将1#和6#诱导缝开裂状态的预测结果列于表2中。由计算结果可知，诱导缝的开裂全部发生在冬季。究其原因，主要是外界环境温度的下降，会造成坝体中心和边界之间的温差并产生比较大的温度应力，进而导致诱导缝开裂。从表2的结果来看，在大坝建成运行之后的第一个冬季，上下游面的诱导缝全部开裂。这说明在环境温度迅速降低的情况下，诱导缝能够按照设计要求率先开裂，从而保证大坝的安全运行。因此，本文设计的诱导缝布局合理，可以发挥释放温缩变形，达到了预期效果。

表2 1#和6#诱导缝开裂状态预测结果

4.3 诱导缝对坝体应力的影响

显然，诱导缝会对坝体的应力产生直接影响，研究中利用构建的有限元模型，对坝体应力进行模拟计算，根据计算结果导出的大坝上游面第一主应力云图如图2所示。由图2可知，在诱导缝开裂的情况下，坝体应力呈均匀分布状态，并且有明显的分区特征。同时，诱导缝周围区域的温度应力值明显降低。此外，随着诱导缝开裂距离的不断增大，温度应力的降幅呈不断缩小的态势。如果忽视诱导缝部位的应力集中，其上游面的最大主应力值为1.85 MPa，小于该部位混凝土的抗拉强度允许值。由此可见，设置诱导缝可以消减大坝拱向温度应力，大幅提升大坝本身的抗裂安全性。