簡述防止高拱壩壩踵開裂和屈服的措施

高千然

【摘 要】經過多年的工程施工實踐總結表明，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量、施工技術以及運行條件等多個環(huán)節(jié)的影響和制約，使得其裂縫問題較為嚴重，因此在目前的水利工程施工中，以相關技術和施工方法來進行施工，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注的重點，也是當前工程項目中最為關鍵和重要的工作環(huán)節(jié)。本文就以高拱壩壩踵開裂與屈服產生原因進行分析和總結，提出了相關預防措施和控制工作要點，以供同行工作參考。

【關鍵詞】水利工程；高拱壩；壩踵；開裂

在當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行分析和總結，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拉應力來進行施工的方法，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，成為當前工程項目中人們關注和研究的工作重點所在，也是整個工程項目中最受人們關注和重視的話題。

1.國內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屢見不鮮，已成為整個建筑工程項目中最受人們關注和重視的環(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)進行分析，其在應用的過程中常常都是難以確定和控制的工作流程，其在運行中由于受到水流、天氣、結構質量等多個因素的影響，使得其中水壓力更是較為嚴重，造成了嚴重的壩踵開裂現象，給工程施工帶來了一定的質量影響，更是嚴重的影響著工程整體性和耐久性。

就我國已經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的一種問題。第一座拱壩在施工的過程中最早出現于上個世紀二十年代的廈門。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的小型拱壩結構。在近年來的建筑工程項目中，大規(guī)模的對其進行修筑和建設是與上個世紀七八十年代，也就是我國改革開放以來的幾十年間才出現了建設高潮，也成為整個工程建設中最受人們關注和重視的環(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，成為名符其實的拱壩大國。但是就著諸多壩體結構進行分析和總結，高拱壩水利工程結構在運行的過程中可謂是最安全的一種，也是工程施工建設中最受關注和重視的一個工作環(huán)節(jié)和內容模式。

當前的拱壩結構施工中，我國已經建成的高拱壩結構大多都集中在大江大河的干流之上，而且有著壩體高度大、施工技術和經濟性能好的優(yōu)勢，但是其一旦出現壩踵開裂，則極容易造成整個壩體工程出現影響，甚至是造成難以預料和避免的事故。由于對其修復是一件技術難度高、經濟投資大的方式，因此提前做好相關的準備和預防工作至關重要和十分關鍵。

2.壩踵開裂和屈服的預防措施

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，用實際縫中的填充材料參數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kn取值的任意性。本構關系上，同時考慮了法向和切向的非線性特性，考慮了縫面應力與變位的非線性重調整，模擬了接觸面粘結、滑移、張開等變形模式，從而使計算更符合實際情況。模型主要特點為接觸面法向應力變形關系借鑒了Bandis巖石節(jié)理法向變形的雙曲線模型，接觸面切向應力應變關系采用應變硬化的雙曲線模型。

2.1.2壩體混凝土材料的破壞準則采用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壩基材料的破壞準則。

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

2.2周邊縫、底縫設計和拱壩地基系統離散

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。這樣設置的縫可以保證曲率平順，同時應保持縫面光滑，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，基礎深度為壩高的1倍左右，單元總數為9423，結點總數為11490。本文研究的周邊縫拱壩設縫范圍左右邊高程均為1245m，全截面設縫；設置底縫的拱壩縫長水平投影為167m，全截面設縫。整體坐標的原點位于通過上游拱冠中心的豎向直線與零高程面的交點，x正向指向右岸，y正向指向下游，z正向鉛直向上。拱壩地基系統網格剖分圖及計算中所采用的有關參數。拱壩所受荷載及加載順序為：壩體自重，正常水荷載，溫度荷載（溫降），泥沙壓力。

3.結果分析

某拱壩未設縫線彈性分析時，拱冠處順河向位移為167～90mm，設周邊縫和底縫后位移分別為172～26mm和172～78mm。設底縫時的位移值略大于周邊縫，是由于未設縫部位出現較多的不規(guī)則裂縫、屈服引起的。總體說來，設周邊縫和底縫均使拱冠處的位移呈明顯增加的趨勢，表明設縫后拱壩的整體性有所降低。兩種設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，設底縫的拱壩與設周邊縫的拱壩相比，在左右壩肩處的豎向位移有所減小。為便于比較，給出了未設縫（線彈性）、設周邊縫和設底縫時拱壩上游面的分布。設縫后，拱壩上游面在壩踵附近1有較大降低。未設縫時，某拱壩在上游壩踵最大主拉應力達5～45MPa，梁向拉應力達3～75MPa；設縫之后，最大主拉應力有較大下降，只有1～5MPa左右。設縫后由梁向承擔的一部分荷載轉由拱向承擔，使得上游面最大拱向壓應力增大，由-1～5MPa左右增大至-6～63MPa左右。兩種設縫拱壩的應力狀態(tài)比較接近，正如后述是由于底縫拱壩未設縫的周邊部分也開裂、屈服成周邊縫的樣式引起的。

4.結束語

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