混凝土面板在碾压式重力坝中的错位分析研究

谭清顺

(齐齐哈尔市铁锋区水利站，黑龙江 齐齐哈尔 161000)

1 工程概况

某水利水电枢纽工程效益主要以发电为主，兼具调蓄防洪、灌溉功能等。枢纽主要建筑物由重力坝、左岸厂房、坝身泄洪洞、右岸引水发电系统等组成，水库总库容2463万m3，正常蓄水位590m，电站装机总容量75MW，发电量1.82万kW·h/a[1]。混凝土重力坝坝顶高程596.00m，坝底高程501m，最大坝高95m。面墙结合式碾压混凝土重力坝结构图，见图1。

图1 面墙结合式碾压混凝土重力坝结构图

2 碾压混凝土层面本构关系

碾压混凝土层面结合为理想弹塑性模型，非线性分析时模型破坏过程，碾压混凝土层面破坏过程线，见图2[2]。

图2 碾压混凝土层面破坏过程线

1)弹性阶段：

当混凝土层面单元在弹性阶段变化时，应力应变关系符合虎克定律，表达式为：

dσ=[D]dε

(1)

2)当层面单元受法向拉裂破坏时，基本条件表达式为：

Fj=σz-σt,f≥0

(2)

式中：σt,f为层面法向抗拉强度。

层面拉裂破坏后的应力释放量为：

(3)

层面破坏后应力应变的增量关系为：

(4)

3)层面的拉剪破坏

拉剪破坏后的层面单元屈服条件为：

(5)

式中：f'，c'为层面的抗剪断强度参数。

4)层面的压剪破坏：层面的压剪破坏包括初始屈服和后继屈服，前者包含一定的剪应力释放。

(6)

后继屈服条件为：

(7)

3 面墙与坝体间的错位分析研究

3.1 坝体材料物理力学参数

参照工程材料力学参数及其他工程经验，坝体及基岩材料力学、热力学参数表，见表1。

表1 坝体及基岩材料力学、热力学参数表

3.2 计算工况

本次计算设定荷载组合有四种，计算工况与荷载组合，见表2。

表2 计算工况与荷载组合

3.3 计算分析

大坝上游面和上游面墙的下游面为第一接触面，大坝下游面和下游面墙的上游面为第二接触面。文章对两类接触面计算分析应力应变，因篇幅限制，只展示正常蓄水位工况下的两类接触面同高程的不同错位结果图，选定高程498m、517m、525m为基准来对比分析。图中坐标轴x方向为节点位置编号，y方向为错位值，单位mm。

3.3.1 第一接触面的错位计算结果图及其分析

大坝正常蓄水位工况(基本组合二)的第一接触面节点错位的各向分量计算，第一类接触面x向的错位分量图，见图3；第一类接触面y向的错位分量图，见图4；第一类接触面z向的错位分量图，见图5。(x为顺河向，y为坝轴向，z为竖直向)。

图3 第一类接触面x向的错位分量图

图4 第一类接触面y向的错位分量图

图5 第一类接触面z向的错位分量图

由图3错位曲线图可知，正常蓄水位的第一接触面错位的x向分量值随位置测点呈波动变化，竖直向未产生显著的规律性，位移区间为-0.0016-0.0022 mm，最大值在大坝底部偏右侧，最小值在坝体1/2部位。

从图4可知，正常蓄水位下的y向错位分量在y、z向无规律性，两侧变化较大，其余变化均较小，最大位移在坝顶偏左侧位置，其值为0.0015 mm，出现在，最小位移在大坝偏顶部左侧位置，值-0.00122 mm。

从图5可知，正常蓄水位的z向错位分量随大坝高程增加，其值越小，最后呈负值。错位值变化区间为-0.301-0.304 mm，最大值在大坝底部偏左侧位置，值为0.3024mm；最小位移在坝体1/2部位处，其值-0.301 mm。

3.3.2 第二接触面的错位分析

大坝正常蓄水位工况(基本组合二)的第二接触面节点错位的各向分量计算，第二类接触面x向的错位分量图，见图6；第二类接触面y向的错位分量图，见图7；第二类接触面z方向的错位分量图，见图8。

图6 第二类接触面x向的错位分量图

图7 第二类接触面y向的错位分量图

图8 第二类接触面z方向的错位分量图

从图6错位曲线图可知，正常蓄水位下第二接触面x向错位分量值与所在点高程呈线性变化关系，错位值随高程的增加而增加大，位移变化区间为-0.0015-0.0015 mm，最大位移在大坝中部，其值为0.00118 mm，最小位移在大坝底部偏左侧位置，其值-0.00146 mm。

从图7可知，y向错位分量值沿y、z向均无显著规律，大坝底部错位值范围较大，底部产生最大、小变形值，最大错位在大坝底部右侧位置，其值0.021 mm，出现在坝体底部右侧附近，最小错位在底部左侧位置，其值为-0.031 mm。

从图8可知，z向错位分量分布呈现一定的线性规律，位移值随高程增加而降低，错位分量值区间-0.021-0.020 mm，最值出现位置同x向。

4 结 论

文章基于碾压混凝土层面本构关系原理分析，结合实际工程计算分析碾压式重力坝在蓄水期与防渗面板不同接触面的应变结果，综合认为第二类接触面的各向错位分量变化优于第一接触面，规律性较强，三向错位分量z向最大，y向最小，大坝和面墙结构受力稳定，不会因为错位接触而破坏，面墙作为大坝的防渗层，结构形式、应力变形满足设计规范要求。