高千然

【摘 要】經(jīng)過多年的工程施工實(shí)踐總結(jié)表明，在目前的水利工程施工中，高拱壩特別是高度超過200m以上的特高拱壩，其壩踵部位受到施工質(zhì)量、施工技術(shù)以及運(yùn)行條件等多個環(huán)節(jié)的影響和制約，使得其裂縫問題較為嚴(yán)重，因此在目前的水利工程施工中，以相關(guān)技術(shù)和施工方法來進(jìn)行施工，從而防止高拱壩壩踵受到影響而開裂和屈服已成為人們在工作中關(guān)注的重點(diǎn)，也是當(dāng)前工程項目中最為關(guān)鍵和重要的工作環(huán)節(jié)。本文就以高拱壩壩踵開裂與屈服產(chǎn)生原因進(jìn)行分析和總結(jié)，提出了相關(guān)預(yù)防措施和控制工作要點(diǎn)，以供同行工作參考。

【關(guān)鍵詞】水利工程；高拱壩；壩踵；開裂

在當(dāng)前的水利工程施工中，針對高拱壩施工中壩踵附近存在的各種問題進(jìn)行分析和總結(jié)，人們在施工的過程中逐步提出了以釋放周邊約束力來減少相關(guān)拉應(yīng)力來進(jìn)行施工的方法，從而使得整個工程項目中的各種問題都得到了有效的控制和完善，尤其是其中存在的開裂和屈服問題，更是得到了有效的管理和控制，成為當(dāng)前工程項目中人們關(guān)注和研究的工作重點(diǎn)所在，也是整個工程項目中最受人們關(guān)注和重視的話題。

1.國內(nèi)常見高拱壩壩踵開裂問題分析

在目前的水利工程項目中，常見的高拱壩和超高拱壩工程已經(jīng)屢見不鮮，已成為整個建筑工程項目中最受人們關(guān)注和重視的環(huán)節(jié)。一般來說，在施工的過程中由于受到施工條件、施工因素和施工效果等多個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，其在應(yīng)用的過程中常常都是難以確定和控制的工作流程，其在運(yùn)行中由于受到水流、天氣、結(jié)構(gòu)質(zhì)量等多個因素的影響，使得其中水壓力更是較為嚴(yán)重，造成了嚴(yán)重的壩踵開裂現(xiàn)象，給工程施工帶來了一定的質(zhì)量影響，更是嚴(yán)重的影響著工程整體性和耐久性。

就我國已經(jīng)有的水壩和拱橋施工分析，其施工歷史悠久，但是就拱壩施工而言，其是近代以后才出現(xiàn)的一種問題。第一座拱壩在施工的過程中最早出現(xiàn)于上個世紀(jì)二十年代的廈門。其在施工的過程中是以里漿砌石為主的，在施工的過程中壩體高度為27m的小型拱壩結(jié)構(gòu)。在近年來的建筑工程項目中，大規(guī)模的對其進(jìn)行修筑和建設(shè)是與上個世紀(jì)七八十年代，也就是我國改革開放以來的幾十年間才出現(xiàn)了建設(shè)高潮，也成為整個工程建設(shè)中最受人們關(guān)注和重視的環(huán)節(jié)。截至目前，我國建有高拱壩上千座，其中占世界高拱壩綜述的一半左右，成為名符其實(shí)的拱壩大國。但是就著諸多壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和總結(jié)，高拱壩水利工程結(jié)構(gòu)在運(yùn)行的過程中可謂是最安全的一種，也是工程施工建設(shè)中最受關(guān)注和重視的一個工作環(huán)節(jié)和內(nèi)容模式。

當(dāng)前的拱壩結(jié)構(gòu)施工中，我國已經(jīng)建成的高拱壩結(jié)構(gòu)大多都集中在大江大河的干流之上，而且有著壩體高度大、施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能好的優(yōu)勢，但是其一旦出現(xiàn)壩踵開裂，則極容易造成整個壩體工程出現(xiàn)影響，甚至是造成難以預(yù)料和避免的事故。由于對其修復(fù)是一件技術(shù)難度高、經(jīng)濟(jì)投資大的方式，因此提前做好相關(guān)的準(zhǔn)備和預(yù)防工作至關(guān)重要和十分關(guān)鍵。

2.壩踵開裂和屈服的預(yù)防措施

2.1計算模型

2.1.1接縫模型。

本文采用的三維非線性接觸單元，用實(shí)際縫中的填充材料參數(shù)E和～按常規(guī)有限元的方法形成勁度矩陣，避免了Goodman單元等只考慮縫面變形及參數(shù)kn取值的任意性。本構(gòu)關(guān)系上，同時考慮了法向和切向的非線性特性，考慮了縫面應(yīng)力與變位的非線性重調(diào)整，模擬了接觸面粘結(jié)、滑移、張開等變形模式，從而使計算更符合實(shí)際情況。模型主要特點(diǎn)為接觸面法向應(yīng)力變形關(guān)系借鑒了Bandis巖石節(jié)理法向變形的雙曲線模型，接觸面切向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用應(yīng)變硬化的雙曲線模型。

2.1.2壩體混凝土材料的破壞準(zhǔn)則采用Chen1982年提出的能較全面反映混凝土破壞曲面特征的四參數(shù)彈塑性～斷裂模型。破壞形式有開裂破壞、壓毀破壞和混合破壞3種。

2.1.3壩基材料的破壞準(zhǔn)則。

某高拱壩壩基材料比較復(fù)雜，包括巖石和斷層、節(jié)理等。巖石材料的破壞準(zhǔn)則采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和Drucker～prager準(zhǔn)則；斷層和節(jié)理的破壞準(zhǔn)則采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和Mohr～Coulomb準(zhǔn)則。

2.2周邊縫、底縫設(shè)計和拱壩地基系統(tǒng)離散

某拱壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程為1245～0m，壩基面高程為953～0m，最大壩高292m。設(shè)縫原則為周邊縫的圓心均位于拱壩的中心面上，半徑接近為常值。這樣設(shè)置的縫可以保證曲率平順，同時應(yīng)保持縫面光滑，使壩體保持對稱形狀。本文研究的周邊縫沿整個壩體與建基面設(shè)置，底縫對稱于拱冠斷面，總的水平投影長度為167m。拱冠處縫面至壩基底距離與縫處壩厚之比為0～153，該處縫面高程為964m。壩體沿厚度方向分4層，沿高度方向分14層，基礎(chǔ)深度為壩高的1倍左右，單元總數(shù)為9423，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為11490。本文研究的周邊縫拱壩設(shè)縫范圍左右邊高程均為1245m，全截面設(shè)縫；設(shè)置底縫的拱壩縫長水平投影為167m，全截面設(shè)縫。整體坐標(biāo)的原點(diǎn)位于通過上游拱冠中心的豎向直線與零高程面的交點(diǎn)，x正向指向右岸，y正向指向下游，z正向鉛直向上。拱壩地基系統(tǒng)網(wǎng)格剖分圖及計算中所采用的有關(guān)參數(shù)。拱壩所受荷載及加載順序?yàn)椋簤误w自重，正常水荷載，溫度荷載（溫降），泥沙壓力。

3.結(jié)果分析

某拱壩未設(shè)縫線彈性分析時，拱冠處順河向位移為167～90mm，設(shè)周邊縫和底縫后位移分別為172～26mm和172～78mm。設(shè)底縫時的位移值略大于周邊縫，是由于未設(shè)縫部位出現(xiàn)較多的不規(guī)則裂縫、屈服引起的?？傮w說來，設(shè)周邊縫和底縫均使拱冠處的位移呈明顯增加的趨勢，表明設(shè)縫后拱壩的整體性有所降低。兩種設(shè)縫拱壩的縫面上壩體位移均呈剛體位移特征。由于壩體不完全對稱，左邊的弦長大于右邊的弦長，使得壩體左半部分順河向位移要大于右半部分。拱冠附近有上抬位移趨勢，設(shè)底縫的拱壩與設(shè)周邊縫的拱壩相比，在左右壩肩處的豎向位移有所減小。為便于比較，給出了未設(shè)縫（線彈性）、設(shè)周邊縫和設(shè)底縫時拱壩上游面的分布。設(shè)縫后，拱壩上游面在壩踵附近1有較大降低。未設(shè)縫時，某拱壩在上游壩踵最大主拉應(yīng)力達(dá)5～45MPa，梁向拉應(yīng)力達(dá)3～75MPa；設(shè)縫之后，最大主拉應(yīng)力有較大下降，只有1～5MPa左右。設(shè)縫后由梁向承擔(dān)的一部分荷載轉(zhuǎn)由拱向承擔(dān)，使得上游面最大拱向壓應(yīng)力增大，由-1～5MPa左右增大至-6～63MPa左右。兩種設(shè)縫拱壩的應(yīng)力狀態(tài)比較接近，正如后述是由于底縫拱壩未設(shè)縫的周邊部分也開裂、屈服成周邊縫的樣式引起的。

4.結(jié)束語

設(shè)縫可以有效地降低拱壩壩踵附近的拉應(yīng)力。某拱壩未設(shè)縫時，在壩基附近的墊座內(nèi)出現(xiàn)較大范圍的開裂和屈服；設(shè)置周邊縫時，墊座內(nèi)的開裂和屈服明顯減少；設(shè)置底縫時，壩踵附近的開裂和屈服明顯減少，但在設(shè)縫兩側(cè)，尤其是兩側(cè)縫端附近，屈服現(xiàn)象比無縫情況時更為嚴(yán)重。某拱壩設(shè)周邊縫的效果要優(yōu)于設(shè)底縫，設(shè)縫范圍可限制在縫面開裂的范圍內(nèi)。 [科]