doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.044

摘 要：為了合理的設(shè)置誘導(dǎo)縫，保證拱壩施工穩(wěn)定性，提出水利施工中碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫開裂分析研究。建立碾壓混凝土的本構(gòu)模型，通過本構(gòu)模型分析混凝土的本構(gòu)關(guān)系，獲得應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系；在模擬過程中通過薄層實體接縫單元完成誘導(dǎo)縫的計算與模擬；設(shè)計了計算條件并設(shè)置了分縫方案。在不同方案下對誘導(dǎo)縫的開裂情況展開判斷和分析，獲取混凝土拱壩的應(yīng)力變化趨勢，以此完成碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫的開裂分析。結(jié)果表明，誘導(dǎo)縫區(qū)域混凝土拱壩應(yīng)力明顯低于其他區(qū)域，應(yīng)力減小的幅度和與誘導(dǎo)縫距離之間呈反比，區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力與誘導(dǎo)縫距離越遠越小。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土拱壩；本構(gòu)關(guān)系；誘導(dǎo)縫模擬；水利施工；誘導(dǎo)縫開裂分析

中圖分類號：TV642；TQ178

文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2024）02-0167-04

Analysis and research on induced crack cracking of RCC arch dam in water conservancy construction

YUAN Yu

（Power Chinavibroflotation construction engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China）

Abstract：In order to reasonably set the induced joints and ensure the stability of arch dam construction，an analysis and research on induced joint crack cracking of roller compacted concrete arch dams in water conservancy construction was proposed.The constitutive model of roller compacted concrete was established，the constitutive relationship of concrete was analyzed through the constitutive model，and the relationship between stress and strain was obtained.The cracking of the induced joints was judged and analyzed under different schemes，and the stress change trend of the concrete arch dam was obtained，so as to complete the cracking analysis of the induced joints of the RCC arch dam.The analysis results showed that the stress of the concrete arch dam in the induced joint region was significantly lower than that in other regions，and the reduction amplitude of stress reduction was inversely proportional to the distance from the induced joint，the stress generated in the region decreased as the distance from the induced joint increased.

Key words：RCC arch dam; constitutive relationship; simulation of induced seam; water conservancy construction; analysis of induced crac

混凝土澆筑是水利工程中的重要步驟，在澆筑過程中混凝土內(nèi)部會出現(xiàn)水化熱現(xiàn)象^[1]，混凝土壩體在短時間內(nèi)無法將水化熱排除體外，隨著澆筑階段的進行，壩體溫度逐漸降低，在此條件下再加之約束作用，混凝土壩體容易產(chǎn)生溫度裂縫^[2]，因此在水利施工過程中需要將溫控防裂和溫度裂縫問題作為重點。如設(shè)計了誘導(dǎo)縫的軸向拉伸實驗，測試碾壓混凝土誘導(dǎo)縫在不同布置形式下的強度變化情況^[3]。通過有限元方法建立混凝土拱壩的數(shù)值模型，利用模型分析模擬施工過程中溫度場、應(yīng)力以及應(yīng)變的變化情況，以此完成誘導(dǎo)縫的開裂分析^[4]?；诖?，為明確誘導(dǎo)縫在碾壓混凝土拱壩中的開裂情況，提出水利施工中的碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫開裂分析研究。

1"混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

混凝土的非線性力學(xué)性能主要表現(xiàn)在2個方面：

（1）微裂縫在內(nèi)部的擴張，在擴展過程中，混凝土的相關(guān)力學(xué)性能發(fā)生一定的變化，如剛度降低、應(yīng)變軟化等;

（2）混凝土的塑性流動，塑性流動造成的塑性變形是無法恢復(fù)的，在高測壓條件下，碾壓混凝土與其他材料相比具有良好的延性。

1.1"本構(gòu)模型

在該狀態(tài)下，通過下式分解混凝土的應(yīng)變張量（ε_ij）：

ε_ij=［εij］₊+［εij］_-（1）

式中：［ε_ij］_-代表壓主應(yīng)變；［ε_ij］₊代表拉主應(yīng)變。以上2個應(yīng)變在混凝土中產(chǎn)生的主應(yīng)力值分別為［σ_ij］_-、［σ_ij］₊，其表達式：

式中：G^t為拉空間對應(yīng)的主應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系函數(shù)；G^c為壓空間對應(yīng)的主應(yīng)力應(yīng)變函數(shù)。

根據(jù)上述分析，計算混凝土的總應(yīng)力（σ_ij）：

σ_ij=［σ_ij］₊+［σ_ij］_-（3）

1.2"有效/名義應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2"誘導(dǎo)縫開裂分析

2.1"計算條件與分縫方案

研究的壩址地區(qū)的氣溫變化幅度較小^[8]，全年的平均溫度為19 ℃，夏季最高氣溫為26 ℃，冬季最低氣溫為9 ℃，該地區(qū)的全年月平均氣溫如表1所示。

碾壓混凝土拱壩的相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表2所示^[9-10]。

劃分碾壓混凝土，獲得多個澆筑層，按照從下到上的順序劃分壩體單元的荷載步驟，按照劃分的順序依次激活壩體單元，完成混凝土拱壩澆筑工程的模擬，對碾壓混凝土拱壩的應(yīng)力場和溫度場展開分析。

根據(jù)誘導(dǎo)縫設(shè)置經(jīng)驗^[11]、拱壩溫度應(yīng)力分布規(guī)律^[12-13]、施工安排、誘導(dǎo)縫設(shè)置原則以及拱壩的結(jié)構(gòu)，在研究過程中制定了2個方案：

方案1，在碾壓混凝土拱壩中設(shè)置如下2條誘導(dǎo)縫（見圖1）；方案2，在碾壓混凝土拱壩中設(shè)置如下3條誘導(dǎo)縫（見圖2）。

對上述方案展開溫度荷載分析，并將分析結(jié)果與碾壓混凝土拱壩不設(shè)置誘導(dǎo)縫方案的分析結(jié)果展開對比^[14-15]，根據(jù)對比結(jié)果分析誘導(dǎo)縫的設(shè)置效果。

2.2"分析結(jié)果

2.2.1"誘導(dǎo)縫開裂分析

分析碾壓混凝土拱壩在2個方案下的誘導(dǎo)縫應(yīng)力變化情況，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，方案1中，誘導(dǎo)縫在碾壓混凝土拱壩結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力最大值高于等效抗拉強度，因此處于開裂狀態(tài)。方案2中，*2誘導(dǎo)縫的應(yīng)力值相對較大，但2個誘導(dǎo)縫在碾壓混凝土拱壩中同樣處于開裂狀態(tài)，*2誘導(dǎo)縫處存在部分區(qū)域的應(yīng)力與等效抗拉強度接近，主要是因為該碾壓混凝土拱壩落座于狹窄的河谷內(nèi)，兩岸拱座處屬于高拉應(yīng)力區(qū)，拱冠處產(chǎn)生的應(yīng)力較小。通過上述分析可知，當(dāng)拉應(yīng)力較大時，該區(qū)域中存在的誘導(dǎo)縫會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

2.2.2"壩體應(yīng)力受誘導(dǎo)縫的影響

設(shè)縫方案與無縫方案下碾壓混凝土拱壩的高拉應(yīng)力區(qū)分布情況基本相同，但在混凝土拱壩中設(shè)置誘導(dǎo)縫后，壩體的應(yīng)力最大值有所減小。

壩體在無縫方案中產(chǎn)生的主拉應(yīng)力最大，其次是方案1，在方案2中產(chǎn)生的主拉應(yīng)力最大值最小。由此可知，將誘導(dǎo)縫設(shè)置在碾壓混凝土壩體后，壩體不會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象?；炷凉皦卧诜桨?和方案2下的最大拉應(yīng)力相差較小，從施工角度對比2種方案可知，方案1優(yōu)于方案2。

根據(jù)上述分析，繪制碾壓混凝土拱壩上游壩面的主拉應(yīng)力包絡(luò)圖，如圖3所示。

由圖3可知，設(shè)置誘導(dǎo)縫的混凝土壩體對應(yīng)的應(yīng)力遠低于無縫的混凝土壩體應(yīng)力，說明壩體內(nèi)的應(yīng)力通過誘導(dǎo)縫得到了釋放。

對比無縫方案和方案1下碾壓混凝土拱壩的應(yīng)力變化情況，如圖4所示。

由圖4可知，將誘導(dǎo)縫設(shè)置在混凝土壩體不同部位處均會產(chǎn)生不同的應(yīng)力影響效果。混凝土壩體的上游面和下游面在誘導(dǎo)縫開裂的狀態(tài)下最大主拉應(yīng)力值顯著降低，其中與誘導(dǎo)縫距離較近的區(qū)域降低的最大拉應(yīng)力遠高于與誘導(dǎo)縫距離較遠的區(qū)域。

無縫方案和方案1的1/3壩高處水平剖面應(yīng)力變化情況如圖5所示。

由圖5可知，在誘導(dǎo)縫區(qū)域混凝土拱壩應(yīng)力明顯低于其他區(qū)域，應(yīng)力減小的幅度和與誘導(dǎo)縫距離之間呈反比，區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力與誘導(dǎo)縫距離越遠越小。與誘導(dǎo)縫距離較大時，中面和上游面的應(yīng)力變化情況差異較小，表明誘導(dǎo)縫在碾壓混凝土拱壩中的作用是有距離限制的，下游面應(yīng)力的下降幅度較大。通過上述分析可知，壩體中的誘導(dǎo)縫之間應(yīng)該存在較大距離，可以優(yōu)化誘導(dǎo)縫對壩體表面高拉應(yīng)力的作用效果。

3"結(jié)語

為了提高施工速度、簡化施工過程，工程師在設(shè)計碾壓混凝土拱壩時都盡量不采用永久性橫縫。受水熱化溫差和外界氣溫變化的影響，施工過程中混凝土拱壩表面容易出現(xiàn)裂縫。為了控制裂縫在混凝土表面的位置，需要設(shè)置誘導(dǎo)縫，研究對誘導(dǎo)縫的開裂情況展開分析。根據(jù)分析結(jié)果可知，不同的誘導(dǎo)縫方案下碾壓混凝土拱壩開裂情況不同，其中，下游面的應(yīng)力下降幅度最大，受誘導(dǎo)縫距離影響加大。無縫方案相較于有縫方案而言其應(yīng)力水平更高。綜合上述分析和方案設(shè)計結(jié)果，研究可為誘導(dǎo)縫在混凝土拱壩中的設(shè)置提供相關(guān)依據(jù)。

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收稿日期：2023-09-05；修回日期：2023-12-08

作者簡介：袁"宇（1984-），女，工程師，研究方向：水利工程；E-mail：zybdkb200710@163.com。

引文格式：袁"宇.水利施工中碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫開裂分析研究[J].粘接，2024，51（2）：167-170.