廊道布置对混凝土重力坝冻融破坏特性影响研究

2021-08-11李文博熊勃勃陈博夫杨玉朋

水力发电 2021年5期

李文博，熊勃勃，陈博夫，杨玉朋

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002)

混凝土冻融破坏是水工建筑物老化病害和耐久性下降的主要原因之一，地处寒冷地区的混凝土大坝由于四季气候的更迭变换导致混凝土酥松剥落、深层冻胀破坏的现象十分普遍[1]。修建于1937年的吉林丰满大坝遭到冻融和冻胀破坏，威胁大坝的安全运行[2]；刘家峡、云峰和参窝水电站都经受了一定程度的混凝土冻融破坏[3-5]。冻融破坏的主要诱因是混凝土孔隙中的自由水在低温作用下结冰膨胀[6，坝身内的水饱和度与渗流场影响了混凝土大坝冻融破坏特性。在混凝土重力坝的设计当中，为了满足坝体灌浆、集中排除坝体地基渗水以及方便检修与观测需要一般会设置廊道[7]，而廊道是影响坝体渗流场特性的主要因素之一，且排水廊道的增设会降低下游坝面的冻融点[8]，改变逸出边界和自由面。廊道的布置对混凝土重力坝的渗透稳定发挥重要作用，由于大坝随服役期的增长进入疲劳期导致自身防渗系统的老化[9]，控制坝身渗流区域与水位函数的大小至关重要。因此从结构角度出发，研究廊道布置形式对混凝土冻融损伤特性的影响有利于在混凝土重力坝设计阶段提高大坝抗冻耐久性。

目前，在混凝土材料的冻融试验研究中，可通过混凝土快速冻融室内加速试验，以质量损失和动弹性模量的变化作为耐久性指标探究水工混凝土材料的耐久性衰减损伤过程与机理[10]。张益多等人通过有限元分析软件ANSYS综合模型材料参数，模拟预应力混凝土受弯构件在冻融与疲劳交替作用下的疲劳性能，并与试验结论进行对比[11]；郑元勋对混凝土冻融试验的标准及结构耐久性研究做了总结，得出针对大尺寸预应力构件冻融研究较少[12]。综上所述，混凝土重力坝发生冻融破坏的区域是有限的，现有研究多针对混凝土材料或简单结构，对于水工混凝土结构冻融研究尚少。混凝土冻融破坏的发生不仅与环境气候造成的较大温差有关，还与建筑物的结构设计有着密不可分的联系。由于场地需求难以满足，且比例模型存在尺寸效应，试验条件有限，难以进行模型试验。因此，采用数值模拟分析的方法不仅可从结构整体的角度研究混凝土重力坝冻融的发生，还可以对试验结果进行比对验证，方便从理论和微观的角度解释冻融试验的现象和结果[13]。

本文设定了3种廊道布设方案，根据SL 319—2018《混凝土重力坝设计规范》确定廊道尺寸与位置参数，计算不同廊道个数下的冻融区，基于冻融损伤的强度折减法，采用有限元分析软件ABAQUS分析了廊道个数对大坝结构的抗冻耐久性影响，为提高重力坝抗冻耐久性提供参考。

1 计算原理

强度折减法是边坡稳定性分析中最常用的方法之一，强度折减法这一概念最早由Zienkiewicz等在1975年提出的。随着ANSYS、ABAQUS、FLAC3D等有限元软件的诞生，强度折减法在许多研究问题上得到应用。在冻融损伤的计算中，借鉴该方法通过对弹性模量E和泊松比v进行折减，使模型达到临界条件，此时折减系数即可作为安全系数，冻融次数就是抗冻耐久性。本文有限元计算选取塑性应变最大处作为坝体混凝土损伤强弱的判据，判断大坝破坏失稳的判据为塑性区域贯通。通过结合坝体渗流场和温度场得到冻融损伤区域，针对该区域采用ABAQUS软件中的混凝土损伤模型CDP计算。在给定的强度折减系数条件下，通过软件模拟运算得到计算结果，以云图的方式显示出塑性区发展，具体分析流程见图1。基于冻融损伤的强度折减法的基本原理为：根据混凝土疲劳损伤理论可知混凝土的损伤是由于外荷载往复循环造成的，而混凝土冻融对混凝土的作用是由于冰涨力造成的，二者在一定程度上是相似的[14]。

图1 分析流程

1.1 冻融区域的确定

本文模型采用典型重力坝非溢流坝段进行计算。不同于受冻融的混凝土材料，混凝土重力坝的非溢流坝段只在有限区域内存在冻融损伤，这些区域需要混凝土充水饱和以及达到结冰温度，所以通过计算典型非溢流坝段渗流场、温度场以确定发生冻融损伤的区域。由于廊道具有坝体排水的作用，所以廊道布设会影响坝体渗流场，廊道内流动的空气对坝体温度场也有一定影响。大坝的冻融温度则依赖于外界温度(气温与水温)的变化，且导热系数的不同也会导致温度场不同。

根据SL 282—2003《混凝土拱坝设计规范》对水库水温进行拟合，拟合后的库水温度公式如下

(1)

Twm(y)=9.65+6.05e-0.04y；Aw(y)=10e-0.018y

(2)

式中，τ为时间，d；y为水深，m；Tw(y，τ)为水深y处在时间τ的水温，℃；Twm(y)为水深y处的年平均水温，℃；Aw(y) 为水深y处的水温年变幅，℃。

混凝土重力坝冻融损伤区域取渗流场中孔隙水压力大于0的区域为饱和混凝土；对于温度场以0 ℃以下的区域作为冻融发生区域。

1.2 考虑冻融作用的混凝土模型参数

根据文献[14]中推导的公式可以得到混凝土在冻融损伤下弹性模量以及泊松比为

En=E0[1-pN]k

(3)

(4)

式中，E0为混凝土初始弹性模量；En为混凝土经历n次冻融循环后的弹性模量；v0为混凝土初始泊松比；vn为混凝土n次冻融循环后的弹性模量；p、q、k、h均为由试验测得并拟合的参数，详见文献[14]；N为冻融循环作用次数。由于式(1)、(2)是基于Loland提出的混凝土损伤模型推导得到的，故也可将pN作为损伤因子即折减系数。对于混凝土结构不仅受到冻融循环荷载，同时也会受到外力荷载，故进行结构计算分析时需要考虑混凝土的弹塑性[15]。

随着冻融循环次数的增加，混凝土试件的峰值应力减小，峰值应变增加[16]。以原始应力应变关系及最大抗压抗拉强度为基准，根据文献[16]中试验数据和相对峰值应力(应变)计算模型得到不同冻融次数下的应力应变关系如图2所示。

图2 冻融作用下混凝土应力应变关系

从图2可以看出，随冻融循环次数的增加，应力-应变曲线逐渐扁平，峰值点下降且右移。利用图2中的关系，采用CDP模型模拟混凝土受力性能，计算冻融区在冻融循环下的结构塑性损伤问题。

图3 非溢流坝段有限元模型

2 算例分析

2.1 计算模型

某工程为二等大(2)型工程，工程以发电为主要任务。拦河坝为混凝土重力坝，其建筑物级别为2级。坝顶高程1 481 m，最大坝高106 m，坝顶宽11 m。坝体基本断面为三角形，下游坝坡1∶0.7；上游1 410 m高程以下坡度为1∶0.2，1 410 m高程以上为直立面。水库校核洪水位1 479.5 m，正常蓄水位1 477 m，死水位1 472 m。坝址区多年平均气温14.4 ℃，最高气温达44.7 ℃，最低气温-9.0 ℃，河道多年平均水温为13.4 ℃，最高水温33.3 ℃，最低水温0 ℃。

为减小廊道对坝体强度的削弱作用，数量和尺寸应尽量小，本文采取保守计算，根据规范SL 319—2018《混凝土重力坝设计规范》，基础灌浆廊道宽2.5～3 m，高3～3.5 m，其他廊道的尺寸应能保证完成其功能，宽1.2 m，高度不宜小于2.2 m，计算尺寸选择偏大值。由于不同规模的重力坝设计廊道的个数不同，而廊道的数量对渗流场有较大的影响，所以本文分别计算了采用不同数量的廊道对冻融区面积及冻融耐久性的影响。根据规范，基础灌浆廊道底到岩基的混凝土厚度约为3～8 m。纵向廊道离上游坝面的距离约为坝面上作用水头的0.07～0.1，最小不少于3 m。本工程作用水头为53.7 m，经计算距离可取范围3.58～5.37 m，在此取5 m。采用ABAQUS建立非溢流坝段有限元模型如图3所示，其中X=5 m，Y=5 m。

2.2 冻融损伤分析

模拟模型的渗流场及温度场计算结果如图4、图5。由图4、5可知，廊道个数对渗流场有明显影响，廊道个数增设使饱水区域变小，导致冻融区变化进而影响损伤，这是因为增设廊道有利于坝体的排水。但对温度场影响不大，这是因为在坝体传热性能不变的情况下，温度场主要受到气温及水温变化的影响，受其他因素影响较小。根据第1节计算原理，当孔隙水压力大于0的区域饱水，温度低于0时结冰，存在潜在冻融危害，结合渗流场与温度场可得冻融损伤区域，如图6所示。

由图6可知，冻融区域受廊道个数影响，廊道个数增设使冻融区面积减小，方案一、二、三的冻融区域面积占比依次为37.3%、32.7%、23.5%，且变化规律为底部高度变高，靠近坝顶处向下缩小。计算的冻融区域塑性损伤模拟结果如图7、8所示。对高寒地区混凝土重力坝的温度场分布情况以及由温度引起的应力场分布研究的计算结果表明，由冻融循环导致的混凝土大坝的最大拉应力远大于混凝土的抗拉强度，这势必会引起混凝土大坝产生裂缝，裂缝的位置主要分布在混凝土重力坝的下游面[17]。

图4 大坝渗流场(单位：Pa)

图5 大坝温度场(单位：℃)

图6 冻融损伤区域

图7 塑性应变区域

图8 最大塑性应变处的竖向位移与冻融次数关系

由图7、8可知，由于廊道个数对渗流场产生较大的影响，导致冻融区面积发生变化，但受冻融损伤位置基本一致，塑性区在坝体下游面2/3坝高处。通过强度折减在冻融荷载作用下使混凝土大坝局部发生塑性损伤，对应冻融循环次数随廊道个数的增设而增加。当设置一个廊道时，在冻融循环次数大约为150次时竖向位移突然增大，发生较大塑性损伤；设置两个廊道约为175次；设置3个廊道约为190次。根据规范SL 352—2006《水工混凝土试验规程》可知，当混凝土试件质量损失5%或动弹膜降低至原有60%时认为试件破坏。故根据文献[16]，当冻融循环次数为150次时，试件就发生了破坏，但计算中此时大坝并未发生破坏失稳。因此，混凝土结构抗冻耐久性不等于混凝土材料抗冻耐久性。