趙 靜,劉進(jìn)寶,郭士杰

(1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院,浙江杭州 311231;2.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院,浙江杭州 310014)

在拱壩建設(shè)向更高更薄方向發(fā)展的同時,許多老拱壩尤其是薄拱壩已到了必須補(bǔ)強(qiáng)加固的階段,尤其是我國20世紀(jì)六七十年代修筑的拱壩,受限于當(dāng)時的勘測、設(shè)計、施工條件,存在的問題尤其突出。當(dāng)一般的加固措施不能有效地解決混凝土拱壩存在的安全隱患時,對拱壩進(jìn)行貼厚加固處理已成為很多薄拱壩不得不采取的措施,采取該措施可以提高拱壩的整體承載能力并阻止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展,徹底解決滲漏問題。在薄拱壩貼厚加固工程中,新老混凝土之間的結(jié)合狀態(tài)成為混凝土拱壩加固的關(guān)鍵[1-3]。

1 工程概況及加固措施

豐樂拱壩為變圓心變半徑的等厚度拱混凝土雙曲拱壩,壩頂高程為211.0m,建基面高程為157.0m,最大壩高為 54.0m,壩頂厚2.5m,壩底厚12.5m,厚高比為0.23,壩頂弧長為216.15 m,壩頂弦長為168.2m,弧高比為4.0,弦高比為3.1。大壩于1973年1月開始混凝土澆筑,1976年6月完成大壩混凝土施工,1978年3月大壩橫縫重復(fù)灌漿結(jié)束。1978年5月7日至8月26日,大壩左岸下游2號壩塊195.0m高程至6號壩塊165.0m高程發(fā)現(xiàn)裂縫,裂縫基本上平行于岸坡方向,總長度達(dá)80m左右,縫寬達(dá)1.0mm;右岸12號壩塊175.0m高程至14號壩塊176.0m高程的裂縫沿175.0m高程水平建筑縫延伸29.35m。1979年初用環(huán)氧樹脂封堵裂縫,當(dāng)年10月發(fā)現(xiàn)裂縫繼續(xù)張開并向兩端延伸。由于大壩裂縫未能及時修補(bǔ),1979年水庫蓄水至1986年9月,大壩裂縫已發(fā)展到20條,總長度達(dá)260.8m。在裂縫和施工橫縫相交處,壩面潮濕、滲水,高水位時局部裂縫有噴射水霧現(xiàn)象。1986年冬季用改性環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌漿,共灌了19條裂縫,灌入改性環(huán)氧樹脂漿液331.2L,灌后縫面不再滲漏。1986年至1994年,左岸壩后裂縫寬度有增大的趨勢,但沒有發(fā)現(xiàn)新的裂縫,已灌漿的裂縫也沒有被拉開。1996年以后,下游壩面陸續(xù)發(fā)現(xiàn)新的裂縫,下游壩面漏水點增多,至2001年底共發(fā)現(xiàn)40多處漏水點,并伴有白色析出物,部分裂縫和橫縫交叉處漏水,且滲水縫段較長,出現(xiàn)了新的裂縫。2001年檢查發(fā)現(xiàn),6號、8號、10號、11號壩塊共出現(xiàn)6條水平裂縫或斜裂縫,總長度為28.1m,2次用超聲波對裂縫進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn),裂縫最大深度分別為2.3m和2.14m,縫寬不大于1.0mm。從幾次裂縫檢測結(jié)果看,該拱壩下游面裂縫均為表面裂縫。

針對該雙曲拱壩裂縫的最新修復(fù)措施為壩后噴射鋼纖維混凝土材料加固。為保證工程質(zhì)量,采用兩端帶鉤的剪切型鋼纖維,根據(jù)不同加固部位對強(qiáng)度要求的不同,分別采用不同規(guī)格的鋼纖維,壩頂至壩底厚度從0.5m變化至1.0m。在大壩下游和大壩上游183.0m以上的外表層噴涂5cm厚的聚氨酯泡沫塑料(PUF),將該保溫材料噴射至建筑物表面5s左右即發(fā)泡沫膨脹形成聚氨酯發(fā)泡保溫層,該材料熱導(dǎo)率僅為混凝土熱導(dǎo)率的1.3%,良好的保溫材料將明顯地降低壩體內(nèi)的溫度應(yīng)力[4-5]。

2 計算方法和計算模型

2.1 計算方法

拱壩應(yīng)力的計算方法有很多,目前主要采用拱梁分載法和有限元方法。拱壩加固工程中新老混凝土的結(jié)合處理除了結(jié)合面的鑿毛處理外,主要措施就是設(shè)置錨桿,以加強(qiáng)新老混凝土之間的聯(lián)合受力。若采用拱梁分載法等材料力學(xué)方法則錨桿的受力及其作用無法顯現(xiàn)出來,故采用有限元方法,利用ANSYS有限元計算軟件進(jìn)行計算分析。若用ANSYS模擬三維壩體,由于設(shè)置的錨桿較多,無法有效模擬,故采用純拱法的計算思想,用ANSYS模擬二維拱圈進(jìn)行計算分析[6-7]。

2.2 計算模型

采用純拱法的計算思想需分拱圈分別進(jìn)行計算分析,以178.0m高程拱圈為例進(jìn)行分析,不考慮基礎(chǔ)及壩肩的作用,假定基礎(chǔ)及壩肩無變形,即認(rèn)為拱圈為固端拱。由于壩體為混凝土材料,故為彈塑性問題;由于未知新老混凝土結(jié)合面的結(jié)合狀態(tài),故為接觸問題,因此新老混凝土的結(jié)合效果驗算應(yīng)為非線性問題。壩體新老混凝土均采用William-Warnke本構(gòu)模型,網(wǎng)格剖分采用Palne42四邊形等參單元。新老混凝土結(jié)合面為面-面接觸,二維平面模型接觸單元為線單元。目標(biāo)單元采用TARGE169,接觸單元采用CONTA171。錨桿采用雙線性隨動強(qiáng)化模型,錨桿不僅承受拉力而且承受剪力,故錨桿單元采用二維梁單元BEAM3。假定錨桿兩端與混凝土的變形同步,即錨桿兩端與新老混凝土分別共用節(jié)點。

2.3 分析方法

由于新老混凝土之間的作用力無法計算得出,故如何設(shè)置錨桿成為問題的關(guān)鍵,本文采用正交試驗設(shè)計方法進(jìn)行分析。按照正交設(shè)計的實施步驟,正交有限元試驗步驟[8]如下:

步驟1 選擇試驗指標(biāo)、因素及水平。首先針對試驗欲解決的主要問題確定試驗指標(biāo),再根據(jù)實踐經(jīng)驗和有關(guān)專業(yè)知識分析找出對指標(biāo)有影響的一切可能因素。試驗因素在試驗中所處的狀態(tài)、條件的變化可能會引起試驗指標(biāo)的變化,因素變化的各種狀態(tài)和條件稱為因素的水平。本研究的主要目的是分析錨桿設(shè)置參數(shù)的不同對新老混凝土結(jié)合效果的影響,故以新老混凝土結(jié)合面的開裂度作為評價錨桿設(shè)置參數(shù)的定量考察指標(biāo)。錨桿設(shè)置參數(shù)即為因素,錨桿埋入老混凝土的深度 l作為試驗因素A,錨桿間距s作為試驗因素B、錨桿直徑d作為試驗因素C。選取的各正交試驗因素及其水平見表1。

表1 正交試驗因素及水平

步驟2選擇合適的正交表。正交表的選擇一般是根據(jù)因素和水平的多少及試驗工作量的大小而定。根據(jù)問題特點,采用3因素3水平的正交表進(jìn)行方案設(shè)計,共進(jìn)行9次試驗,即分別進(jìn)行9組有限元模擬分析。

步驟3排表頭,寫出試驗方案表。選定正交表后,將各因素按順序排入正交表的各列上。排好表頭后,再將表中各列數(shù)字,代表各因素的3個水平序號依次換成該因素的實際水平值,便可得到試驗方案表。根據(jù)試驗方案進(jìn)行試驗,并將測定結(jié)果填入表中。試驗方案見表2。

步驟4分析試驗結(jié)果。分析方法有兩種:一是直觀分析法,二是方差分析法。本文采用直觀分析法。在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,通過直觀分析法可達(dá)到4個目的:①分析各因素與考察指標(biāo)的關(guān)系,即當(dāng)各因素水平變化時,考察指標(biāo)如何變化;②分析各因素影響程度的主次順序,即確定各因素中的主要與次要因素;③確定最優(yōu)方案;④為進(jìn)一步試驗指出方向。

步驟5根據(jù)分析結(jié)果,確定最優(yōu)方案。

2.4 計算荷載及工況

由于該拱壩加固在新混凝土下游面噴涂保溫材料,所以外界溫度對壩體溫度應(yīng)力的影響不大,主要是在拱壩貼厚施工過程中,新混凝土水化熱產(chǎn)生溫度應(yīng)力會造成新老混凝土的開裂,以至于影響新老混凝土的聯(lián)合受力,影響加固效果。因此,只研究加固施工過程中新混凝土由于水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對結(jié)合面的影響。計算工況為:施工期水庫正常運(yùn)行,上游水位為正常水位。加厚新混凝土采用分層分段噴射施工,待新混凝土水化進(jìn)行到一定階段后進(jìn)行封拱接縫處理。此時假定新混凝土的溫度高于老混凝土及空氣溫度10℃,即應(yīng)將新混凝土施以-10℃的溫降。首先計算在不設(shè)錨桿的情況下新老混凝土結(jié)合面的開裂度,計算結(jié)果為3.452mm,這樣的開裂在以后的運(yùn)行過程中肯定會繼續(xù)擴(kuò)展,影響新老混凝土的聯(lián)合受力,導(dǎo)致加固達(dá)不到效果,需設(shè)置錨桿以加強(qiáng)新老混凝土的結(jié)合。

3 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果見表2。將試驗數(shù)據(jù)組合起來進(jìn)行比較,例如在表2方案1～3的3個試驗中,錨桿埋入深度均為1.0m,即均為水平1(記作 A1),將這3個試驗開裂度的平均值記為A′1。此時,A1條件下的3個試驗中,其余各因素取遍所有的水平,而且各水平出現(xiàn)的次數(shù)是相同的,故A′1可以認(rèn)為是 A1對試驗結(jié)果的影響。同理可以計算出其他各因素各水平對試驗結(jié)果的影響,并對此進(jìn)行比較,各因素對評價指標(biāo)的影響如表3所示(表中i=1,2,3)。

表2 各試驗方案計算結(jié)果

表3 各因素對評價指標(biāo)的影響

根據(jù) 表 3 中 A′i,B′i,C′i的最小值可以選取A3B1C1為以新老混凝土結(jié)合面開裂度為評價指標(biāo)的最優(yōu)參數(shù)方案,該方案錨桿埋入老混凝土的深度為0.5m,錨桿間距為1m,錨桿直徑為25mm。該方案并未包括在本文9個試驗方案中,這也證明正交試驗設(shè)計所得到的結(jié)果是全面的。再從極差來看,A,B,C三因素的極差分別為0.182,0.447,0.335,可見錨桿設(shè)置間距對計算結(jié)果的影響最大,錨桿直徑對計算結(jié)果的影響相對較小,而錨桿埋入老混凝土的深度對計算結(jié)果的影響最小。即錨桿設(shè)置間距是影響新老混凝土結(jié)合面開裂度的主要因素,錨桿直徑和錨桿埋入老混凝土的深度是次要因素。

通過建立有限元非線性模型對正交試驗分析的最優(yōu)方案進(jìn)行驗證,計算得出結(jié)合面的開裂度為0.260mm,均小于正交試驗各方案的開裂度(表2),表明本文的分析是正確的。

4 結(jié) 論

a.薄拱壩貼厚加固工程中,在新老混凝土的結(jié)合面設(shè)置錨桿可以有效地減小開裂。錨桿設(shè)置間距對新老混凝土的開裂影響較大,為滿足工程經(jīng)濟(jì)性要求,在滿足工程安全的條件下可以適當(dāng)選擇直徑較小的錨桿,并降低錨桿埋入老混凝土的深度。

b.各種組合下結(jié)合面?zhèn)鬟f剪力、壓力較小,新老混凝土結(jié)合面基本上都不是閉合狀態(tài),也就是說開裂總是存在的。為了達(dá)到更好的加固效果,應(yīng)控制加厚新混凝土封拱接縫的溫度。

c.采用純拱法計算思想,不能模擬拱壩真實的受力狀態(tài),計算出的應(yīng)力過大,壩踵處拉應(yīng)力超限,同時各拱圈相互之間無制約,計算出的開裂度和實際有所出入,尤其是上部拱圈。

[1]黎眉展.國內(nèi)外拱壩建設(shè)與發(fā)展(上)[J].貴州水力發(fā)電,2003,17(1):1-5.

[2]黎眉展.國內(nèi)外拱壩建設(shè)與發(fā)展(下)[J].貴州水力發(fā)電,2003,17(2):1-5.

[3]朱伯芳.中國拱壩建設(shè)的成就[J].水力發(fā)電,1999(10):38-41.

[4]馬福恒,劉成棟.豐樂拱壩的裂縫產(chǎn)生機(jī)理及其修復(fù)研究[J].水利學(xué)報,2007,38(增刊1):123-127.

[5]張燎軍,翟利軍,賈德斌,等.豐樂雙曲拱壩加固方案三維有限元仿真分析[J].大壩與安全,2003(2):32-35.

[6]鄒超英,蘇志敏,曾海軍,等.拱壩有限元分析網(wǎng)格剖分方案研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2001,9(1):47-49.

[7]曹文貴,彭波,李紅芳.砂漿錨桿的有限元模擬方法探討[J].中南公路工程,2005,30(4):31-35.

[8]王劍波,何朋立,陳新勝,等.隧道錨噴參數(shù)優(yōu)選正交有限元強(qiáng)度折減分析[J].青島理工大學(xué)學(xué)報,2007,28(2):1-5.