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        面板堆石壩面板擠壓破壞處理措施研究

        2020-11-26 07:52:47陳文
        商品與質(zhì)量 2020年7期
        關(guān)鍵詞:堆石堆石壩法向

        陳文

        云南大唐國(guó)際那蘭水電開(kāi)發(fā)有限公司 云南紅河州 654000

        1 面板堆石壩施工概述

        一般地,混凝土面板堆石壩施工主要包括壩基開(kāi)挖、趾板施工、壩料開(kāi)采、運(yùn)輸、填筑、碾壓、面板混凝土澆筑等幾大工序,每道工序都有適合自身特點(diǎn)的施工要點(diǎn)及難點(diǎn),必須認(rèn)真研究,找出解決問(wèn)題的辦法,確保面板堆石壩順利實(shí)施。由于面板堆石壩施工受氣候影響較大、技術(shù)難度高,一般現(xiàn)場(chǎng)工作面狹窄,施工協(xié)調(diào)難度大,因此,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工組織、施工管理能力提出了較高要求。

        2 面板擠壓破壞處理措施

        2.1 面板破壞處理方法歸結(jié)

        綜合國(guó)內(nèi)外筑壩經(jīng)驗(yàn),根據(jù)目前對(duì)面板擠壓破壞的認(rèn)識(shí),防止高面板堆石壩擠壓破壞的措施主要包括兩個(gè)方面:一是控制壩體堆石的變形;二是提高面板適應(yīng)變形、抵抗壓應(yīng)力的能力。

        對(duì)于第一個(gè)方面壩體總體變形主要通過(guò)合理分區(qū)、選擇堆石材料、預(yù)留沉降、改善堆石壓實(shí)等進(jìn)行控制。特別是300m超高面板堆石壩更應(yīng)重視預(yù)留沉降期等安排[1]。

        對(duì)于第二個(gè)方面,主要措施有:改進(jìn)面板壓性縱縫設(shè)計(jì),在河床段面板縱縫之間,填入一定厚度的可變形材料以吸收壩軸向的變形,釋放河床段面板積聚的應(yīng)變能;適當(dāng)增大河床段面板頂部面板的厚度,增大面板承壓面積等。

        2.2 基于有限元的面板接縫處理措施

        針對(duì)面板壓性垂直縫,按有縫寬設(shè)計(jì),同時(shí)在縫內(nèi)設(shè)置塑性填料,使其具有吸收變形能力,以減免面板擠壓破壞的可能。根據(jù)設(shè)計(jì)資料,混凝土面板的分塊寬度一般為12-16m,河床中部面板較寬,兩岸面板較窄,面板頂厚30-60cm。建立面板-垂直縫-堆石體三維子結(jié)構(gòu)模型,模型采用兩塊面板拼接,每塊面板寬16m,長(zhǎng)度為32m,厚度為0.6m,墊層料厚度為8m。在數(shù)值計(jì)算分析中,混凝土面板采用線彈性模型,彈性模量E為30GPa,泊松比為0.2,容重為25kN/m3;墊層料等堆石體采用國(guó)內(nèi)在計(jì)算土石壩、堆石壩等巖土工程問(wèn)題時(shí)廣泛采用的Druck-er-Prager彈塑性模型,在ANSYS中通過(guò)DP材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。

        3 計(jì)算結(jié)果與分析

        3.1 面板應(yīng)力應(yīng)變分析

        基于所建立的局部子結(jié)構(gòu)模型,按方案一首先對(duì)面板垂直縫有無(wú)填縫材料的情況進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)非線性接觸理論,該模型需考慮不同縫寬和填料模量—壓縮位移的關(guān)系。在目前的計(jì)算模型中,考慮了填縫材料在狹窄面板接觸垂直縫中受到強(qiáng)制位移約束條件的限制可能表現(xiàn)出的硬化特征,在小壓縮位移情況下,垂直縫處取填縫材料彈性模量E1進(jìn)行計(jì)算;當(dāng)壓縮位移超過(guò)一定量值后(目前取0.5倍初始縫寬),垂直縫處取面板混凝土彈性模量E2進(jìn)行計(jì)算。

        給定的模型參數(shù)為:E1=1100MPa,填料寬度d=12mm,E2=30GPa。施加的側(cè)向強(qiáng)制位移和法向分布力不變,模擬面板子結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況。在面板接縫處沒(méi)有填縫材料的情況下,接縫面沿壩軸向位移平均約為1.1mm;且接縫處出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,截面上最大擠壓應(yīng)力為27MPa。在面板接縫處有填縫材料的情況下,面板壩軸向的相向位移明顯增大,部分縫面相向位移超過(guò)了0.5倍初始縫寬,發(fā)生了相互貫入,且頂部貫入量最大,最大值約為11.6mm,意味著縫面下部會(huì)出現(xiàn)脫開(kāi);可見(jiàn)填縫材料使接縫保留一定的變形能力,吸收了大量的擠壓位移??p面最大擠壓應(yīng)力為8MPa,數(shù)值上明顯減小[2]。

        3.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

        方案一保持作用在面板表面法向分布力不變,在墊層料側(cè)向逐漸增加擠壓位移,帶動(dòng)面板發(fā)生擠壓,模擬面板受擠壓變形;然后保持?jǐn)D壓位移不變,改變面板表面法向壓力值,模擬不同水深對(duì)面板造成的壓力。

        可知,在兩塊面板應(yīng)力集中的垂直縫處,節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力隨墊層料側(cè)向擠壓位移和面板表面法向分布力的增大呈線性增長(zhǎng);垂直縫中設(shè)置厚度足夠的彈性襯墊材料后,縫面擠壓位移明顯增大,兩曲線間距離較大。可見(jiàn),襯墊材料可吸收相應(yīng)的擠壓位移,并使面板在法向力作用下適應(yīng)變形的能力增強(qiáng),從而使面板的擠壓應(yīng)力顯著降低,防止混凝土發(fā)生擠壓破壞。在擠壓位移處于0.5倍初始縫寬之前,由于填縫材料尚未達(dá)到硬化比例,墊層料側(cè)向位移基本被軟縫所吸收,最大擠壓應(yīng)力增長(zhǎng)不大;而在之后,填縫材料已完全硬化,達(dá)到了壓縮極限,接縫面上部?jī)蓧K面板抵觸摩擦,故擠壓位移受側(cè)向位移的影響不明顯,而最大擠壓應(yīng)力隨側(cè)向位移增加至22.6MPa。在面板法向分布力達(dá)600kPa時(shí),填縫材料達(dá)到硬化比例的臨界狀態(tài),同擠壓位移處于0.5倍縫寬時(shí)一樣[3]。

        方案二在垂直縫處用3種不同模量的材料填縫,模擬不同的襯墊材料。使用鋼度越小的柔性填料在極限范圍內(nèi)可吸收更多的擠壓位移,但隨墊層料側(cè)向位移和面板法向分布力的增加,接縫處擠壓位移相對(duì)剛度較大填料增長(zhǎng)較快。由于柔性材料要吸收一定的擠壓位移后才發(fā)生硬化,因此在其極限范圍內(nèi)接縫面最大擠壓應(yīng)力增長(zhǎng)相對(duì)緩慢,達(dá)到壓縮變形極限后,接縫處壩軸向相向位移超過(guò)0.5倍初始縫寬,面板后續(xù)的擠壓應(yīng)力增長(zhǎng)較快,而軸向變形逐漸變小。鋼度較大的填料則不容易發(fā)生變形,隨著墊層料側(cè)向位移和面板法向分布力的增大,相對(duì)于柔性填料其不容易達(dá)到壓縮極限而發(fā)生硬化。

        4 結(jié)語(yǔ)

        根據(jù)面板堆石壩面板擠壓破壞的機(jī)理,通過(guò)控制變量的方法,進(jìn)一步研究了其適合的止水結(jié)構(gòu)尺寸與填縫材料要求,得到了填縫材料對(duì)面板應(yīng)力應(yīng)變的具體影響,并給出了工程建議措施。研究成果可為已發(fā)生面板擠壓破壞的高面板堆石壩工程的修復(fù)處理及新建高面板堆石壩的預(yù)防措施設(shè)計(jì)等提供參考。

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