已浇筑碾压混凝土及裂缝对碾压混凝土重力坝的安全性影响研究

伍世朝

(中国水利水电第三工程局有限公司,西安 710024)

0 引 言

碾压混凝土重力坝具有结构强度高、使用寿命较长、不易开裂等优点,被越来越多地应用于水利、交通等基建工程中[1]。RCC重力坝就是坝体有部分结构由RCC构成的一种重力坝。为了提高这类重力坝的运营安全性,工程技术人员进行了相关研究。高山等[2]为解决RCC重力坝的大体积混凝土温控防裂问题,构建了有限元模型,分析这类重力坝的温度应力场,并提出相应的施工期控温措施。结果表明,提出的控温防裂措施能够有效提高RCC重力坝由温度变化产生的裂缝发育和产生。胡良明等[3]发现碾压混凝土重力坝遭遇地震作用时,切割式横缝的存在会影响大坝整体性,进而影响大坝的地震损伤情况及抗震性能。研究还发现,增加坝体横缝数量和横缝接触面初始强度,能有效减少高碾压混凝土重力坝震后损伤程度。因此,裂缝对于RCC重力坝的结构安全具有重要意义。

本文从RCC厚度和裂缝发育规律角度,研究有利于提高RCC重力坝运用安全性的策略。

1 碾压混凝土重力坝计算模型搭建

1.1 有限元模型建立准备及网格划分

本次研究对象为国内西南地区某水电站上的碾压混凝土重力坝,其正常蓄水位、校核洪水位、死水位分别为374、319、329m,坝体最大高度192m,坝顶全长741m。大坝修筑过程共消耗混凝土762×104m3,其中碾压混凝土用量504m3。本文选用ABAQUS软件,建立该大坝的仿真数值模型,以便对后续的应力应变和开裂过程进行研究[4-6]。考虑以上工程背景,选用坝体的最高非溢流环境挡水坝节段作为研究对象。同时,为简化运算,对选中段进行以下假设处理:不考虑防渗面板、防浪墙等结构;不考虑坝体分期施工的影响;坝体的材料参数统一[7-9]。首先确定坝体的计算剖面,剖面材料有碾压混凝土和常态混凝土,简化后的研究对象计算剖面结构见图1。

图1 研究坝体的计算剖面示意图

该计算剖面是后续静力分析和裂缝计算的基础,但后者需要在坝体上布置预裂缝。根据《碾压混凝土重力坝设计规范》(DL 5108-1999)、《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2005)等相关规范,确定各建造坝体主要材料的力学和物理参数[10]。构建坝体有限元模型前,进行以下假设[11-13]:首先,铅锤方向上为Y轴正方向、顺河流方向为X轴正方向、大坝轴线指向右岸为Z轴正方向[14]。其次,认为坝体与地基、各碾压层之间均存在刚性联结,且将坝体混凝土、地基岩石分别看作弹性材料和弹塑性材料,认为地基中不存在软弱夹层和断层[15-17]。荷载方面,将作用于坝体上下游面的水压力视为静水压力。考虑到实际施工情况和设计难度,碾压层厚度定为30、40、50cm。然后,考虑模型各关键位置的应力情况、单元形状一致性、材料特性和大坝地基情况,划分有限元网格。划分结果见表1。

表1 坝体有限元网格划分结果

1.2 荷载计算方法设计及工况选择

按照力的类型,将作用于坝体的力划分为可变作用荷载、永久作用荷载,下面分别讨论各自的计算方法。通过在软件中定义各分区的弹性模量、泊松比、容重,利用式(1)计算得到坝体自重G[18]:

G=γV

(1)

式中:γ为大坝的混凝土容重,kN/m3;V为混凝土体积。

上下游受到的静态水压力Pwr按式(2)计算:

Pwr=γwH

(2)

式中:γw为水的重度,取9.8kN/m3;H为计算点的作用水头。

坝体泥沙压力Psk按照式(3)计算:

(3)

式中:γsb为淤沙容重,kN/m3;hs为堆积厚度,m;φs为内摩擦角,(°)。

扬压力按照《水工建筑物荷载设计规范》(SL 744-2016)中的规定计算,具体见图2。图2中,H为计算点的高程。

图2 坝体扬压力计算示意图

考虑到该坝体的实际使用情况,设置3种静力分析工况。工况一:正常蓄水位400.00m;工况二:设计洪水位402.10m;工况三:校核洪水位404.61m。地应力场会对大坝应变带来较大的影响,因此在静力分析中添加初始地应力场[19]。

地应力在ABAQUS中有3种定义方式:第一种是在添加边界条件和荷载的模型上进行一次计算,然后将计算出的应力导入电脑中,再将其以表格形式输出到模型的关键字位置[20]。第二种方法是直接使用软件中的地应力模块布置地应力[21]。第三种方法是使用软件自带功能定义初始应力场[22]。其中,第一种方法的误差较大,第三种方法需要知道具体的边界条件,而考虑到大坝被看作线弹性材料,本次研究选择第二种方法构建地应力较为合理。

1.3 碾压混凝土重力坝开裂模型建立

由于结构裂缝对于碾压混凝土重力坝的运营安全具有重要影响,因此本研究以选定案例为研究对象,使用ABAQUS软件,建立4种扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)裂纹扩展模型,用于分析在不同超载系数情况下常规混凝土重力坝与各种碾压层厚度的碾压混凝土重力坝的裂纹扩展规律。目前,常见的校核大坝稳定性的方法有超载法、强度储备法、剪力比例法。本次研究选择最为符合研究对象的超载法辅助开展开裂分析。

为了分析RCC重力坝碾压层厚与大坝裂纹关系,以及对比RCC重力坝与常规混凝土重力坝裂纹扩展规律并寻找保护措施的目的,在本次裂纹模拟实验中,分别建立碾压层厚度为30、40、50cm的RCC重力坝和常规混凝土重力坝开裂模型。开裂模型使用有限元软件中的四节点平面应变积分单元功能构建,此类有限元模型中的网格划分方法与静力模型的一致,不再赘述。

重力坝整体将会在材料强度最弱的地方开裂,因此将RCC重力坝的裂纹布置在材料强度较低的坝踵RCC碾压层间附近较为合理。重力坝方案的裂纹布置见图3。观察图3可知,为了更好地对比各方案的开裂情况,各坝体的预裂纹均设置在坝踵的相同位置。另外,坝体的材料参数也与静力分析模型一致。

图3 重力坝裂纹布置方案图

各重力坝模型均使用最不利的校核洪水位开展计算,计算涉及的荷载有基岩自重、坝体自重、坝体上下游面水压、淤沙压力、扬压力、地基顶部水压。根据以往实验经验,将开裂模型中的超载系数设置为起点1.00、终点3.00、步长0.25的9种数值。

2 碾压混凝土及裂缝对碾压混凝土重力坝的安全性影响分析

2.1RCC重力坝有限元模型应力变化情况分析

按照上述方案设计静力条件下的重力坝有限元模型后,计算各工况下的模型应力和应变数据。但各种静力模型的工况下,重力坝的应力、位移分布情况基本相同,这里仅选出最具代表性的设计洪水位工况数据进行分析。在选定工况下,统计各有限元模型的第一主应力σ1、第二主应力σ2、第三主应力σ3、上下游方向应力σx、大坝竖向应力σy、大坝轴向应力σz、大坝剪应力σxy的最值,见表2。

表2 设计洪水位工况下各模型的应力数据统计结果

结合表2和ABAQUS计算出的云图(因篇幅所限,省略)分析发现,各有限元模型的各部位应力水平均低于材料的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度,表明重力坝不会产生抗压、抗拉、抗剪破坏。但碾压混凝土重力坝的坝踵上垫层与相邻垫层之间存在局部的拉应力集中区域,其最大拉应力达到1.154MPa,与该处的抗拉强度1.200MPa最为接近。若水位继续上升,坝体产生结构裂缝,会首先出现在此处。因此,后续对坝踵处出现裂纹情况进行有限元模型模拟计算,分析这种情况下裂纹的扩展情况和对坝体安全性的影响。

2.2超载条件下RCC重力坝有限元模型裂纹分析

通过ABAQUS软件分析,获得各种超载系数下的裂纹深度、各方向应力、结构位移数据。但因为超载方案有9种,且在相同结构中裂纹扩展规律相同,这里仅对相对具有代表性的超载工况,即超载系数为2.50时的各大坝开裂模型进行分析,计算得到数据见表3。分析表3和裂纹扩展图可知(因篇幅所限,省略),当超载系数为2.50时,各重力坝裂纹扩展有限元模型的裂纹发展规律均为从坝踵处斜向下扩展到地基,同时若裂纹在竖直方向扩展到一定程度后,会变为向下游方向扩展。而且在这种情况下,坝趾的最大压应力为24.1MPa,大于该部位的抗压强度,即坝趾部位也会发生受压破坏,并导致坝顶位移上升32cm左右。另外,随着碾压层厚度的增加,裂纹的垂直方向扩展长度有小幅度缩小,但扩展长度小于常态混凝土重力坝,裂纹的的水平方向扩展长度也存在小幅度缩小,但数值略高于常态混凝土重力坝。

表3 超载系数为2.50时的裂纹扩展有限元模型数据

针对不同超载系数方案下的各模型裂纹扩展深度进行分析,重力坝裂纹在垂直方向上的扩展深度统计数据见图4。观察图4可知,当超载系数相同时,碾压层厚度越大,裂纹垂直向扩展深度越小,且均低于常态混凝土重力坝模型。当超载系数大于2.00后,两类重力坝的裂纹垂直向扩展深度差异较小。随着超载系数的增加,各模型裂纹的垂直向扩展深度呈先快速增长后趋于平稳的发展规律,当超载系数达到2.50时,裂纹的垂直向扩展深度几乎达到最大值。当各碾压混凝土重力坝在超载系数达到2.75后,裂纹的垂直向扩展深度均存在一定程度减小,表明超载系数为2.50左右时,坝趾压应力与材料抗压强度最为接近,此时重力坝很可能要发生整体破坏,并使裂纹向顺河向发展。

图4 各超频系数方案下大坝有限元模型的裂纹垂直方向扩展深度统计

针对不同超载系数方案下的各模型重力坝裂纹在顺河方向上的扩展深度进行分析,统计数据见图5。观察图5可知,当超载系数相同时,碾压层厚度越大,裂纹顺河向扩展深度越小,但减少幅度轻微,且均低于常态混凝土重力坝模型。但超载系数大于2.25后,RCC重力坝顺河向裂缝扩展深度更大。随着超载系数的增加,各模型裂纹的顺河向扩展深度呈快速增长的发展规律,且当超载系数大于2.25后,增长速度逐渐加快,表明此时大坝的结构应力已接近对应强度,导致裂纹顺河向扩展速度快速加快,随后大坝将出现整体破坏。

图5 各超频系数方案下大坝有限元模型的裂纹顺河方向扩展深度统计

3 结 论

重力坝有限元模型分析结果显示,各模型各部位应力均低于材料抗压、抗拉、抗剪强度,表明重力坝不会产生受力破坏,但坝踵局部应力较高。随着超载系数增加,裂纹垂直向扩展深度呈先快速增长后趋于平稳的发展规律,超载系数达到2.50时几乎达到最大值。表明此时坝趾压应力与抗压强度最为接近,将要发生整体破坏。当超载系数大于2.25后,顺河向裂纹扩展深度增长加快,此时大坝的结构应力已接近对应强度。由此可见,大坝裂纹具有破坏的突然性。在实际施工中,可通过增加碾压层厚度、加强裂缝检测和加固补强等方式,提高RCC重力坝的安全性。