蔡黎明，孫琰

淺談對碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理的認(rèn)識

蔡黎明1，孫琰2

（1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610；2.山東省臨沂市水利勘測設(shè)計院，山東 臨沂 276037）

根據(jù)碾壓混凝土筑壩技術(shù)的特點，研究了碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理的現(xiàn)狀，并綜述了碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理研究中存在的主要問題，提出了一些看法，最后總結(jié)了碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理研究中的一些重要結(jié)論。

碾壓混凝土；重力壩；失穩(wěn)破壞機(jī)理；剪切屈服區(qū)

碾壓混凝土重力壩采用干貧混凝土、分塊分層連續(xù)澆筑、在面層上進(jìn)行振動碾壓的施工方法[1]，具有倉面大、效率高、節(jié)約水泥、便于溫控等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中。中國碾壓混凝土壩建設(shè)年代分布情況，如圖1所示。中國碾壓混凝土壩壩型分布情況，如圖2所示。由圖1、圖2可知，碾壓混凝土壩近些年得到了快速發(fā)展。碾壓混凝土筑壩技術(shù)具有一般混凝土壩的可靠性和土石壩的快速施工等特點。

圖1 中國碾壓混凝土壩建設(shè)年代分布情況

圖2 中國碾壓混凝土壩壩型分布情況

1 碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理研究現(xiàn)狀

碾壓混凝土重力壩（RCCD）具有費用低、施工快速等優(yōu)點，近些年發(fā)展較快，有全面代替一般混凝土壩的可能性，但是，RCCD面層的較低抗剪強(qiáng)度限制了碾壓混凝土壩向高壩的發(fā)展趨勢。對RCCD壩體抗滑穩(wěn)定進(jìn)行分析時，以剛體極限平衡分析法為主，該方法存在著與實際情況不一致的重要假定，即滑動面上任意點同步達(dá)到極限狀態(tài)。有學(xué)者對一般混凝土重力壩沿基處面和基巖軟弱面層滑動的破壞機(jī)理等進(jìn)行了較多研究[2]，目前還沒有取得比較一致的認(rèn)識，且RCCD沿層面的穩(wěn)定性問題研究也不深入。

段亞輝等人采用彈塑性有限元法對RCCD層面的破壞機(jī)理及過程進(jìn)行分析，指出RCCD沿壩基的失穩(wěn)破壞是壩址剪切應(yīng)力區(qū)不斷向上游發(fā)展引起的[3]；李雪峰等人采用非線性有限元法，對碾壓混凝土重力壩的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析計算，指出碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理不應(yīng)忽略碾壓混凝土層面的影響[4]；賴國偉等人采用彈塑性有限元和不等比例降材料強(qiáng)度參數(shù)法，對碾壓混凝土高壩的破壞過程、機(jī)理和極限承載力進(jìn)行了研究分析[5]；黃志強(qiáng)等人在碾壓混凝土的多相不均勻結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，利用材料破壞全過程的分析軟件系統(tǒng)MFPA對高碾壓混凝土重力壩進(jìn)行了全面分析，結(jié)果表明，裂縫擴(kuò)展的第二階段為破壞過程的關(guān)鍵階段[6]。

2 當(dāng)前存在的主要問題

對碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理的研究，一般學(xué)者都是針對碾壓混凝土壩的應(yīng)力分布和穩(wěn)定性進(jìn)行分析計算，取得一些研究成果。但針對一些可能影響因素，諸如施工工藝與溫控、殘余應(yīng)力與峰值強(qiáng)度比值變化等沒有考慮到。

壩體沿碾壓混凝土層面的失穩(wěn)破壞和在壩基面的失穩(wěn)破壞有很大的不同。在壩體上游面不存在拉裂區(qū)域；壩體碾壓混凝土層面上的點安全系數(shù)分布和壩基面相比較為均勻，安全系數(shù)最小值大于剛體極限平衡法抗剪斷公式計算的安全系數(shù)比值，并且殘余強(qiáng)度遠(yuǎn)小于峰值強(qiáng)度之比，因此局部剪切屈服區(qū)出現(xiàn)后會迅速發(fā)展到整個層面，會使壩體沿層面迅速失穩(wěn)破壞，屬于“脆性”破壞。此外，壩體沿碾壓混凝土層面失穩(wěn)的“脆性”破壞與層面殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度的比值有較大關(guān)聯(lián)性。

對于碾壓混凝土重力壩中的低壩，壩體受到較小的水壓力，沿層面的抗滑穩(wěn)定問題沒有引起較多關(guān)注。但對于碾壓混凝土壩中的高壩，層面的破壞問題異常突出。中國碾壓混凝土壩按壩高分布情況如圖3所示。

圖3 中國碾壓混凝土壩按壩高分布情況

由圖3可知，碾壓混凝土壩在200 m以上高壩中的應(yīng)用較少。層面的破壞問題成為影響碾壓混凝土壩向更高方向發(fā)展的關(guān)鍵[7]。利用抗滑穩(wěn)定可靠度、有限元模型、斷裂力學(xué)模型對碾壓混凝土壩層面研究較多，而采用強(qiáng)度儲備系數(shù)法結(jié)合彈塑性有限元法對碾壓混凝土壩層面穩(wěn)定進(jìn)行研究分析較少。比如，考慮碾壓混凝土壩的結(jié)構(gòu)和施工工藝等特征，分析可能造成層面失穩(wěn)破壞的因素對碾壓混凝土壩層面破壞的關(guān)聯(lián)度研究，最后對碾壓混凝土壩失穩(wěn)破壞過程、機(jī)理和極限承載力進(jìn)行研究分析。

3 一些研究思路

在研究碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理時，是否可以將施工過程與溫度應(yīng)力、殘余應(yīng)力與峰值強(qiáng)度的比值變化、施工方式等因素考慮進(jìn)去。通過數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)值模擬等分析方法將影響碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理的可能影響因素進(jìn)行分析。

通過對碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞的影響因素的多角度研究，可以探索出壩體沿碾壓混凝土層面失穩(wěn)的“脆性”現(xiàn)象的原因。以此為依托，研究應(yīng)對“脆性”現(xiàn)象的措施與改善方法。

是否可以將強(qiáng)度儲備系數(shù)法與彈塑性有限元法有機(jī)結(jié)合來研究碾壓混凝土壩的穩(wěn)定性，進(jìn)一步深入研究碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理。

4 結(jié)論

碾壓混凝土壩壩體順著壩基面失穩(wěn)破壞，大多是由始于壩址并順著壩基面向上游發(fā)展的剪切屈服區(qū)造成的。雖然壩踵也存在拉裂區(qū)，但不會引起壩體的失穩(wěn)破壞。混凝土和碾壓混凝土壩體本身有較高的強(qiáng)度，不存在剪切屈服區(qū)。碾壓混凝土壩壩體順著碾壓混凝土層面的失穩(wěn)破壞，在殘余應(yīng)力很小時，屬于“脆性”破壞，增大下游面壩體區(qū)域?qū)用娴目辜魪?qiáng)度值，對改善沿層面的可靠度很有效。層面上的應(yīng)力和點安全系數(shù)分布極不對稱，且隨著高程的變化而變化。層面施工時間間隔以及層面處理方法是影響層面抗剪強(qiáng)度的重要影響因素，對于碾壓混凝土重力壩的失穩(wěn)破壞具有直接關(guān)聯(lián)性。碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理值得不斷探討與深入研究。

［1］張志.中國碾壓混凝土筑壩實例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1990.

［2］賴國偉，王宏碩，陸述遠(yuǎn).具有軟弱結(jié)構(gòu)面壩基的穩(wěn)定分析［J］.武漢水利電力學(xué)院學(xué)報，1987（4）：1-10.

［3］段亞輝，賴國偉.碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理的初步分析［J］.水利學(xué)報，1995（5）：55-59.

［4］李雪峰，王俊奇.碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機(jī)理研究［J］.紅水河，1997（3）：33-37.

［5］賴國偉，陳述遠(yuǎn)，常曉林，等.高碾壓混凝土重力壩的失穩(wěn)破壞機(jī)理和極限承載能力分析［J］.水力發(fā)電，2000（12）：17-20，68.

［6］黃志強(qiáng)，沈新普，唐康安.高碾壓砼重力壩層面失穩(wěn)破壞的模擬分析［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，30（5）：592-594.

［7］牛景太.高碾壓混凝土壩層面穩(wěn)定分析方法研究［J］.廣西水利水電，2012（5）：12-16.

TV642.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.029

2095－6835（2020）01－0084－02

蔡黎明（1988—），男，安徽蕭縣人，碩士，工程師，研究方向為水工結(jié)構(gòu)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕