王震洲，王彥兵，楊 柳

（國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京市 102209）

0 引言

混凝土面板堆石壩是一種以堆石為主體結(jié)構(gòu)材料，以混凝土面板作為上游防滲體的土石壩類型?；炷撩姘迨敲姘宥咽瘔蔚姆罎B主體，其安全性直接關(guān)系到大壩工程能否正常運(yùn)行。然而，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的不均勻變形或沉降估計(jì)不夠充分，以及對(duì)環(huán)境溫度變化等一系列其他問(wèn)題對(duì)面板的影響認(rèn)識(shí)不夠，則很有可能導(dǎo)致面板防滲體開(kāi)裂，產(chǎn)生滲漏，對(duì)大壩安全造成威脅[1-6]。

雖然目前針對(duì)溫度變化對(duì)面板應(yīng)力影響的研究眾多[7-24]，但溫度應(yīng)力對(duì)面板的破壞形式還未有定論，且研究都是在面板已產(chǎn)生裂縫的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。本文則結(jié)合某設(shè)計(jì)中的混凝土面板堆石壩，用實(shí)際設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)面板變溫荷載進(jìn)行計(jì)算模擬，探討在環(huán)境溫度變化下面板有可能的開(kāi)裂區(qū)域，從而為設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

該設(shè)計(jì)中的工程壩頂高程為783.00m，壩頂寬8.0m，最大壩高80.00m，最大壩底寬232.38m，壩頂長(zhǎng)186.60m。壩體自上游至下游依次布置：鋼筋混凝土面板、擠壓邊墻、墊層、過(guò)渡層、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、下游干砌塊石護(hù)坡。其上下游壩坡均采用1:1.4。該壩采用0.6m 厚的等厚面板，為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，垂直壓性縫間距為12m，垂直張性縫間距為6m。上游面板周邊設(shè)混凝土趾板，與岸坡相連，趾板寬度為6.5m，厚0.6m。該工程典型剖面壩體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 面板堆石壩典型剖面圖Figure 1 Typical section of the concrete face rockfill dam

本文重點(diǎn)討論在壩體已全部填筑完畢，上游水位740m（死水位），下游無(wú)水，加外部車輛荷載，再加溫度荷載的情況下面板的應(yīng)力應(yīng)變特征。溫度荷載工況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 溫度荷載工況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Temperature load condition statisitics

其中根據(jù)溫度荷載的施加情況細(xì)分為如表1所示的六種工況?；炷辆€性膨脹系數(shù)α=1.0×10-5（1/℃）。壩頂路面荷載按17.9kN/m 均布荷載考慮。死水位740m 以下的面板溫度變化取為表面溫度折減一半考慮。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 變溫荷載作用下的面板應(yīng)力

如圖2～圖13所示，即為不同變溫荷載下，面板表面主應(yīng)力分布。

圖2 工況A 面板表面最大主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 2 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition A（unit：MPa）

圖3 工況A 面板表面最小主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 3 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition A（unit：MPa）

圖4 工況B 面板表面最大主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 4 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition B（unit：MPa）

圖5 工況B 面板表面最小主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 5 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition B（unit：MPa）

圖6 工況C 面板表面最大主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 6 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition C（unit：MPa）

圖7 工況C 面板表面最小主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 7 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition C（unit：MPa）

圖8 工況D 面板表面最大主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 8 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition D（unit：MPa）

圖9 工況D 面板表面最小主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 9 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition D（unit：MPa）

圖10 工況E 面板表面最大主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 10 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition E（unit：MPa）

圖11 工況E 面板表面最小主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 11 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition E（unit：MPa）

圖12 工況F 面板表面最大主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 12 Maximum principal stress on the concrete face slab under working condition F（unit：MPa）

圖13 工況F 面板表面最小主應(yīng)力（單位：MPa）Figure 13 Minimum principal stress on the concrete face slab under working condition F（unit：MPa）

由圖可見(jiàn)，在變溫荷載作用下，面板表面最大和最小主應(yīng)力分布具有以下特性：

（1）工況A、工況B、工況C 為溫升工況，在這三種工況下，面板表面最大主應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。由于在高程740m 死水位處變溫荷載突變，從而應(yīng)力在該處均有明顯過(guò)度。三種工況下面板最大主應(yīng)力極值都出現(xiàn)在面板中上部，即高程740m 上部不遠(yuǎn)處，量值分別為3.6MPa、2.8MPa、2.1MPa。可以看出，面板最大主應(yīng)力σ1服從由工況C、工況B、工況A 依次增大的趨勢(shì)。其中死水位以下增大較小，死水位以上增大明顯，因此可以得出死水位以上面板最大主應(yīng)力受溫度升高影響比較明顯的結(jié)論。

（2）溫升工況A、工況B、工況C 的最小主應(yīng)力σ3分布規(guī)律基本相同，均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。三種工況下最小主應(yīng)力服從由工況C、工況B、工況A 依次增大的趨勢(shì)。σ3極值一般都出現(xiàn)在面板中部740m 高程附近，最大值出現(xiàn)在工況A，約1.2MPa 左右。由此可以看出，溫度升高令面板的最小主應(yīng)力相應(yīng)增大。

（3）工況D、工況E、工況F 為溫降工況，在該三種工況下，面板表面最大主應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，面板中上部出現(xiàn)拉應(yīng)力。由于在高程740m 死水位處荷載突變，從而應(yīng)力在該處發(fā)生明顯變化，該水位以上均為拉應(yīng)力。三種工況下面板σ1最大拉應(yīng)力極值都出現(xiàn)在面板中上部，即高程760m 附近，量值分別為-1.4MPa、-0.9MPa、-0.7MPa。死水位以下的面板下部應(yīng)力在三種工況下變化并不明顯。溫降荷載下死水位以上面板出現(xiàn)拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力分布較為廣泛，拉應(yīng)力有隨溫降越大而增大的趨勢(shì)。

（4）溫降工況D、工況E、工況F 的最小主應(yīng)力σ3分布規(guī)律基本相同，除少數(shù)區(qū)域外，整塊面板均出現(xiàn)拉應(yīng)力，且在面板兩翼處拉應(yīng)力較大。三種工況下σ3拉應(yīng)力服從由工況F、工況E、工況D 依次增大的趨勢(shì)，最大拉應(yīng)力一般出現(xiàn)在面板中上部的兩翼處，量值分別為-2MPa、-2.8MPa、-4MPa。高程740m 死水位以下面板拉應(yīng)力在各工況下雖有變化，但變化并不明顯?？梢?jiàn)，溫降荷載依然是對(duì)死水位以上面板影響比較明顯。

如圖14 和圖15所示，分別給出了各變溫荷載工況下河谷0+078.82m 剖面面板表面節(jié)點(diǎn)最大最小主應(yīng)力沿高程分布規(guī)律。

圖14 0+78.82m 剖面變溫荷載面板表面最大主應(yīng)力沿高程分布圖Figure 14 Distribution of maximum principal stress on the concrete face slab of the 0+78.82m profile

圖15 0+78.82m 剖面變溫荷載面板表面最小主應(yīng)力沿高程分布圖Figure 15 Distribution of Minimum principal stress on the concrete face slab of the 0+78.82m profile

由圖14 和圖15 可見(jiàn)，溫升和溫降荷載對(duì)面板應(yīng)力的作用效應(yīng)相反。溫升荷載使面板產(chǎn)生壓應(yīng)力，且溫升越高，壓應(yīng)力越明顯。溫降荷載使面板產(chǎn)生拉應(yīng)力，同樣溫降越大，拉應(yīng)力越明顯。顯而易見(jiàn)，在高程740m 死水位處應(yīng)力有一個(gè)明顯的突變過(guò)程，尤其是溫升工況下的面板最大主應(yīng)力σ1和溫降工況下的最小主應(yīng)力σ3在高程740m 處均有顯著變化。

因此，綜上所述，可以得到如下基本結(jié)論：環(huán)境溫升溫降均會(huì)對(duì)面板應(yīng)力產(chǎn)生一定影響，且溫度變化越大影響越明顯。其中環(huán)境溫度升高，面板產(chǎn)生壓應(yīng)力，最大主應(yīng)力σ1在死水位處發(fā)生明顯突變。環(huán)境溫度降低，面板產(chǎn)生拉應(yīng)力，最小主應(yīng)力σ3在死水位處發(fā)生明顯突變。

2.2 面板表面高拉應(yīng)力區(qū)分布

如圖16～圖21所示，為各溫降荷載工況下面板上表面-1MPa 以上的拉應(yīng)力分布情況。

圖16 工況D 第一主應(yīng)力高拉應(yīng)力區(qū)（單位：MPa）Figure 16 High tensile stress zone of the first principal stress under working condition D（unit：MPa）

圖17 工況D 第三主應(yīng)力高拉應(yīng)力區(qū)（單位：MPa）Figure 17 High tensile stress zone of the third principal stress under working condition D（unit：MPa）

圖18 工況E 第一主應(yīng)力高拉應(yīng)力區(qū)（單位：MPa）Figure 18 High tensile stress zone of the first principal stress under working condition E（unit：MPa）

圖19 工況E 第三主應(yīng)力高拉應(yīng)力區(qū)（單位：MPa）Figure 19 High tensile stress zone of the third principal stress under working condition E（unit：MPa）

圖20 工況F 第一主應(yīng)力高拉應(yīng)力區(qū)（單位：MPa）Figure 20 High tensile stress zone of the first principal stress under working condition F（unit：MPa）

圖21 工況F 第三主應(yīng)力高拉應(yīng)力區(qū)（單位：MPa）Figure 21 High tensile stress zone of the third principal stress under working condition F（unit：MPa）

由上述高拉應(yīng)力區(qū)分布情況可知：

（1）第一主應(yīng)力高拉應(yīng)力區(qū)主要在面板上部呈水平分布，基本在高程760m 處，即死水位以上的面板中部。

（2）第三主應(yīng)力-1MPa 以上拉應(yīng)力在死水位之上的面板分布廣泛。且在死水位附近及面板兩翼處有明顯的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。拉應(yīng)力最值出現(xiàn)在面板兩翼處，基本呈豎直分布。工況D，面板兩翼處的拉應(yīng)力可達(dá)-4MPa?？梢?jiàn)，溫度降低對(duì)面板應(yīng)力影響非常明顯，尤其在面板兩翼處。

（3）由面板兩翼豎直分布的拉應(yīng)力極值區(qū)可以看出，環(huán)境溫度驟降，很有可能使面板兩翼產(chǎn)生開(kāi)裂破壞，并向面板腹部延伸。

3 結(jié)論

從溫度變化對(duì)面板的應(yīng)力影響可以看出，溫降荷載比溫升荷載對(duì)面板影響明顯，環(huán)境溫度降低更容易對(duì)面板產(chǎn)生破壞。隨著溫降的加劇，面板表面出現(xiàn)的拉應(yīng)力區(qū)的規(guī)模與量值越來(lái)越明顯。當(dāng)面板頂面溫降達(dá)到40℃，底面溫降20℃時(shí)，面板表面拉應(yīng)力可達(dá)4.0MPa。

面板在溫降荷載作用下，拉應(yīng)力最值出現(xiàn)在兩翼處，呈豎直帶狀分布。在死水位附近及面板兩翼處有明顯的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，有向面板腹部發(fā)展的趨勢(shì)?？梢哉J(rèn)為，環(huán)境溫度驟降，很有可能使面板兩翼產(chǎn)生開(kāi)裂破壞，生成裂縫。

針對(duì)環(huán)境溫度變化對(duì)水面線以上面板變位及應(yīng)力影響較大的特點(diǎn)，建議在運(yùn)行期做好水位以上面板的保溫工作。變溫荷載，尤其是溫降荷載下面板兩翼處較容易產(chǎn)生拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力比較集中，為避免面板產(chǎn)生破壞，可采取適當(dāng)分縫等措施，減小和消除面板兩翼的拉應(yīng)力。