面板堆石坝面板挤压破坏处理措施研究

陈文

云南大唐国际那兰水电开发有限公司 云南红河州 654000

1 面板堆石坝施工概述

一般地，混凝土面板堆石坝施工主要包括坝基开挖、趾板施工、坝料开采、运输、填筑、碾压、面板混凝土浇筑等几大工序，每道工序都有适合自身特点的施工要点及难点，必须认真研究，找出解决问题的办法，确保面板堆石坝顺利实施。由于面板堆石坝施工受气候影响较大、技术难度高，一般现场工作面狭窄，施工协调难度大，因此，对现场施工组织、施工管理能力提出了较高要求。

2 面板挤压破坏处理措施

2.1 面板破坏处理方法归结

综合国内外筑坝经验，根据目前对面板挤压破坏的认识，防止高面板堆石坝挤压破坏的措施主要包括两个方面：一是控制坝体堆石的变形；二是提高面板适应变形、抵抗压应力的能力。

对于第一个方面坝体总体变形主要通过合理分区、选择堆石材料、预留沉降、改善堆石压实等进行控制。特别是300m超高面板堆石坝更应重视预留沉降期等安排[1]。

对于第二个方面，主要措施有：改进面板压性纵缝设计，在河床段面板纵缝之间，填入一定厚度的可变形材料以吸收坝轴向的变形，释放河床段面板积聚的应变能；适当增大河床段面板顶部面板的厚度，增大面板承压面积等。

2.2 基于有限元的面板接缝处理措施

针对面板压性垂直缝，按有缝宽设计，同时在缝内设置塑性填料，使其具有吸收变形能力，以减免面板挤压破坏的可能。根据设计资料，混凝土面板的分块宽度一般为12-16m，河床中部面板较宽，两岸面板较窄，面板顶厚30-60cm。建立面板-垂直缝-堆石体三维子结构模型，模型采用两块面板拼接，每块面板宽16m，长度为32m，厚度为0.6m，垫层料厚度为8m。在数值计算分析中，混凝土面板采用线弹性模型，弹性模量E为30GPa，泊松比为0.2，容重为25kN/m3；垫层料等堆石体采用国内在计算土石坝、堆石坝等岩土工程问题时广泛采用的Druck-er-Prager弹塑性模型，在ANSYS中通过DP材料来实现。

3 计算结果与分析

3.1 面板应力应变分析

基于所建立的局部子结构模型，按方案一首先对面板垂直缝有无填缝材料的情况进行计算分析。根据非线性接触理论，该模型需考虑不同缝宽和填料模量—压缩位移的关系。在目前的计算模型中，考虑了填缝材料在狭窄面板接触垂直缝中受到强制位移约束条件的限制可能表现出的硬化特征，在小压缩位移情况下，垂直缝处取填缝材料弹性模量E1进行计算；当压缩位移超过一定量值后（目前取0.5倍初始缝宽），垂直缝处取面板混凝土弹性模量E2进行计算。

给定的模型参数为：E1=1100MPa，填料宽度d=12mm，E2=30GPa。施加的侧向强制位移和法向分布力不变，模拟面板子结构应力应变情况。在面板接缝处没有填缝材料的情况下，接缝面沿坝轴向位移平均约为1.1mm；且接缝处出现了较明显的应力集中现象，截面上最大挤压应力为27MPa。在面板接缝处有填缝材料的情况下，面板坝轴向的相向位移明显增大，部分缝面相向位移超过了0.5倍初始缝宽，发生了相互贯入，且顶部贯入量最大，最大值约为11.6mm，意味着缝面下部会出现脱开；可见填缝材料使接缝保留一定的变形能力，吸收了大量的挤压位移。缝面最大挤压应力为8MPa，数值上明显减小[2]。

3.2 计算结果对比分析

方案一保持作用在面板表面法向分布力不变，在垫层料侧向逐渐增加挤压位移，带动面板发生挤压，模拟面板受挤压变形；然后保持挤压位移不变，改变面板表面法向压力值，模拟不同水深对面板造成的压力。

可知，在两块面板应力集中的垂直缝处，节点位移和应力随垫层料侧向挤压位移和面板表面法向分布力的增大呈线性增长；垂直缝中设置厚度足够的弹性衬垫材料后，缝面挤压位移明显增大，两曲线间距离较大。可见，衬垫材料可吸收相应的挤压位移，并使面板在法向力作用下适应变形的能力增强，从而使面板的挤压应力显著降低，防止混凝土发生挤压破坏。在挤压位移处于0.5倍初始缝宽之前，由于填缝材料尚未达到硬化比例，垫层料侧向位移基本被软缝所吸收，最大挤压应力增长不大；而在之后，填缝材料已完全硬化，达到了压缩极限，接缝面上部两块面板抵触摩擦，故挤压位移受侧向位移的影响不明显，而最大挤压应力随侧向位移增加至22.6MPa。在面板法向分布力达600kPa时，填缝材料达到硬化比例的临界状态，同挤压位移处于0.5倍缝宽时一样[3]。

方案二在垂直缝处用3种不同模量的材料填缝，模拟不同的衬垫材料。使用钢度越小的柔性填料在极限范围内可吸收更多的挤压位移，但随垫层料侧向位移和面板法向分布力的增加，接缝处挤压位移相对刚度较大填料增长较快。由于柔性材料要吸收一定的挤压位移后才发生硬化，因此在其极限范围内接缝面最大挤压应力增长相对缓慢，达到压缩变形极限后，接缝处坝轴向相向位移超过0.5倍初始缝宽，面板后续的挤压应力增长较快，而轴向变形逐渐变小。钢度较大的填料则不容易发生变形，随着垫层料侧向位移和面板法向分布力的增大，相对于柔性填料其不容易达到压缩极限而发生硬化。

4 结语

根据面板堆石坝面板挤压破坏的机理，通过控制变量的方法，进一步研究了其适合的止水结构尺寸与填缝材料要求，得到了填缝材料对面板应力应变的具体影响，并给出了工程建议措施。研究成果可为已发生面板挤压破坏的高面板堆石坝工程的修复处理及新建高面板堆石坝的预防措施设计等提供参考。