龍洞槽砌石拱壩加固方案三維有限元分析

何奇濱，譚茶生，唐欣薇

(華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510640)

龍洞槽砌石拱壩加固方案三維有限元分析

何奇濱，譚茶生，唐欣薇

(華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510640)

針對龍洞槽砌石拱壩除險加固工程，基于三維有限元法，對比分析了壩體上游側、下游側培厚加固方案在基本荷載組合與特殊荷載組合作用下的應力和位移，包括三種典型的粘結工況及配筋工況，并確定合適的加固方案與工程措施。結果表明：基本荷載組合是上游測、下游側加固方案的控制荷載組合，需在冬季對拱壩采取適當?shù)谋卮胧詼p少溫度降低對拱壩壩體應力變形的影響； 兩種加固方案均滿足規(guī)范應力要求，但是上游加固方案在加固效果、施工便捷等方面更具優(yōu)越性； 新老壩體粘結效果對拱壩應力位移具有較大影響； 在壩體中上部布設徑向配筋，有助于減弱新老壩體粘結強度不足對壩體應力應變的影響。

砌石拱壩；除險加固；加固方案；數(shù)值仿真；應力位移

20世紀50—80年代，我國修建許多漿砌石拱壩。由于歷史原因?qū)е碌氖┕ぜ夹g質(zhì)量較差，至今運行多年，這批拱壩已出現(xiàn)不同程度的病害，急需對其進行加固除險。學者們在砌石拱壩加固除險方面開展了不少的研究工作：包括除險加固方案的比選[1-2]、多種加固措施的綜合應用[3-4]、以混凝土材料對漿砌石拱壩加高加固后溫度應力參數(shù)敏感性分析[5]、充填灌漿的防滲處理[6-7]、壩體加厚后結合面的工作性態(tài)分析[8-9]、培厚位置[10-11]、培厚工藝[12]對加固效果的影響等研究工作。除險加固工作需要針對具體的拱壩開展，方能對癥下藥。據(jù)此，本文開展針對龍洞槽砌石拱壩加固除險的研究工作。

龍洞槽水庫位于清水河的一級支流馬路河的支流上，水庫大壩為漿砌石單圓心單曲圓弧拱壩，拱冠壩頂寬1.8 m，壩底寬3.50 m，最大壩高21.40 m，拱壩上游面半徑為42.00 m，頂拱中心角為86.61°。

龍洞槽水庫于1986年11月1日開始投入運行。按照現(xiàn)行規(guī)范要求，對龍洞槽拱壩進行應力復核，發(fā)現(xiàn)壩體應力已超出控制標準，需對其進行加固處理，以確保拱壩安全運行。作為拱壩除險加固中經(jīng)常采用的措施，壩體加厚方法可有效降低壩體應力，增強壩體的穩(wěn)定性。然而，加厚位置[10-11]、新老壩體粘結形式等因素將對壩體加固效果產(chǎn)生較大影響。

本文以龍洞槽砌石拱壩工程為依托，基于ABAQUS軟件對采用上游面、下游面等厚加固的兩種方案進行三維有限元仿真計算，考慮新老壩體不同粘結作用的影響，分析不同加固方案下的壩體應力的分布規(guī)律，提出合理的加固方案與施工措施，為工程設計提供重要參考。

1 本構模型

為實現(xiàn)本文的數(shù)值仿真計算，需要定義壩體漿砌石、巖石地基、鋼筋、新老漿砌石接觸行為的本構模型。

漿砌石、巖石、鋼筋分別采用線彈性的連續(xù)殼體單元(SC8R、SC6R)、塊體單元(C3D8)、三維桁架單元(T3D2)。同時，基于ABAQUS程序中的“embedded”技術[13]，通過位移約束條件限制鋼筋、漿砌石變形協(xié)調(diào)，將鋼筋單元嵌入至漿砌石單元中，以實現(xiàn)鋼筋對壩體結構的作用。

為了描述交界面的粘結行為，本文在新老漿砌石面之間設置粘結單元，其本構模型見圖1。其中，OB段為交界面開裂前的線彈性段，Bδc段為開裂后的剛度線性降低軟化階段。

圖1 雙線性本構模型

本構方程定義為：

σ=Eoδ(開裂前)

(1)

(2)

式中:Eo為粘結單元的初始彈性模量；δpl=δc-δo，為從發(fā)生開裂到完全開裂期間累積的位移；σo為產(chǎn)生開裂的應力峰值。

采用式(3)最大名義應力法則作為交界面的開裂準則。

(3)

f(v)=fcsgn(v)

(4)

fc=μ|fn|

(5)

式中：f(ν)為摩擦力；ν為相對滑動速度；fc為庫侖摩擦力；μ為摩擦系數(shù)；fn為法向力；sgn( )為符號函數(shù)。

2 加固方案的數(shù)值仿真

2.1 有限元模型構建

2.1.1 上游加固

沿拱壩上游面均勻加厚2 m，模型共計66 370個單元。其中，加固后壩體單元如圖2所示。巖基邊界節(jié)點處施加x、y、z三向約束。考慮如下工況：

(1) 理想粘結：新舊壩體之間不考慮交界面，接觸部分共用節(jié)點。

圖2 沿上游面加固

(3) 無粘結：新老壩體之間的接觸面定義為硬接觸，采用庫侖摩擦模型，其中μ=0.7。

(4) 無粘結，徑向配筋：在(3)的基礎上引入徑向配筋，考慮僅在壩體中上部、兩側拱肩、同時在以上兩個部位配置鋼筋，見圖3。

圖3 徑向配筋位置

2.1.2 下游加固

沿拱壩下游面均勻加厚1.5 m，模型共計63 755個單元。其中，加固后壩體單元如圖4所示。巖基邊界節(jié)點處施加x、y、z三向約束。下游加固方案考慮理想粘結、粘結良好、無粘結三種情況。實現(xiàn)方式同2.1.1。

圖4 沿下游面加固

2.2 材料參數(shù)與氣溫資料

漿砌石的重度取23 kN/m3、彈性模量取4.0 GPa[13]、泊松比取0.22、線膨脹系數(shù)取7×10-6；鋼筋的重度取78.5 kN/m3、彈性模量取210 GPa、泊松比取0.30；巖石的重度取27 kN/m3、彈性模量取6.0 GPa、泊松比取0.31；水重度取9.81 kN/m3。一月份多年平均氣溫為3.3℃、七月份多年平均氣溫為23.4℃。

2.3 荷載及荷載組合

本模型考慮的荷載包括：靜水壓力、自重及溫度荷載。由于龍洞槽砌石拱壩壩前淤沙高度僅為 1.92 m，泥沙壓力可忽略不計。

參考規(guī)范[14-15]相關規(guī)定及實際工程情況，本文考慮以下兩種典型荷載組合：

基本荷載組合：正常水位(1246.14 m)+尾水位(1226.07 m)+正常溫降+自重；

特殊荷載組合：校核洪水位(1247.47 m)+尾水位(1226.07 m)+正常溫升+自重。

3 計算與分析

不同加固方案的仿真計算結果見表1、圖5、圖6。通過對比分析，不難發(fā)現(xiàn)：

(1) 對比上游加固、下游加固兩種方案，拱壩在基本荷載組合下的最大位移值、最大主拉應力值、最大主壓應力值均比在特殊荷載組合下的數(shù)值大，可見，基本荷載組合可作為控制荷載組合。因而建議在冬季需對拱壩采取適當?shù)谋卮胧?，尤其是寒潮來襲引起的氣溫驟降，以減少溫度降低對拱壩壩體應力變形的影響。

(2) 兩種加固方案均滿足規(guī)范應力要求，但上游加固方案比下游加固方案更為安全。龍洞槽水庫為V等小(2)型工程，壩前淤沙較少，圍堰、導流及清淤工程量不大，給上游側培厚壩體提供了施工條件。同時，在壩體上游面施工，不影響壩肩下游面巖體，壩肩推力角偏向巖體，有利于壩肩穩(wěn)定。因而，上游加固方案在加固效果、施工便捷等方面更具優(yōu)越性。

(3) 新老壩體粘結效果對拱壩位移應力具有較大影響。理想粘結與良好粘結的最大主拉應力值十分相近且均低于1.0 MPa，而無粘結的最大拉應力值為1.26 MPa，明顯偏高，接近規(guī)范的拉應力限值1.5 MPa。相似的規(guī)律也出現(xiàn)在最大位移與最大主壓應力中。因此，本文建議加強施工管理，提高施工質(zhì)量，保證新舊壩體交界面有較高的粘結強度。

(4)通過對比分析壩體的位移分布(見圖5)與最大拉應力分布(見圖6)，不難發(fā)現(xiàn)：僅在拱肩采用徑向配筋時，加固效果并不明顯。當在壩體中上部配筋時，壩體位移和應力均得到一定的改善，鑒于在上部及拱肩同時配筋未能顯著提高加固作用，為節(jié)省工程投資，本文推薦在壩體中上部加以徑向配筋，確保新老壩體的粘結效果。

表1 不同加固方案計算結果對比

圖5 下游面位移分布(單位：cm)

圖6 上游面最大拉應力分布(單位：MPa)

4 結 論

本文采用三維有限元軟件ABAQUS對拱壩上游、下游等厚加固方案進行仿真分析，推薦龍洞槽拱壩采用壩體中上部配筋的上游加固方案。

建議加固施工期時，加強施工管理，提升施工質(zhì)量，確保新老壩體接觸面具有良好的粘結強度。同時，建議在壩體中上部布設徑向配筋，進一步增強新老漿砌石接觸面粘結作用，改善壩體應力分布。此外，考慮到溫降對壩體應力具有較大影響，本文建議在冬季對拱壩采取增設聚苯乙烯保溫板、噴涂硬泡聚氨酯、鋪設聚乙烯保溫被與保溫棉被等保溫措施。

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Three Dimensional Finite Element Analysis of the Reinforcement Project of Longdongcao Masonry Arch Dam

HE Qibin, TAN Chasheng, TANG Xinwei

(SouthChinaUniversityofTechnology,SchoolofCivilEngineeringandTransportation,Guangzhou,Guangdong510640,China)

In this paper the reinforcement project for Longdongcao masonry arch dam is simulated based on 3D finite element method. The stress and displacement distribution of thickening reinforced schemes on the upstream and downstream side under conditions of basic load combination and special load combination are compared and analyzed. In addition three typical bonding and reinforcement conditions are also considered, and the appropriate reinforcement program and engineering measures are obtained. The results show that: the basic load combination is the primary load combination in upstream and downstream reinforcement scheme, and thermal insulation measures should be taken for arch dam in the winter to reduce the influence of low temperature; two reinforcement projects meet stress requirements uniformly according to the standard, however, the project of thickening upstream face of arch dam has an advantage in strengthening effect, convenient construction and so on; the bonding results of the original and the thickened body exert an importance impact on the stress and displacement of arch dam, therefore we suggest to strengthen construction management and improve construction quality to enhance the bonding strength of the interface; reinforcing bars in the middle upper part of the arch dam is beneficial to reduce the influence of bonding strength insufficient of original and the thickened body, which is devastating for the stress and displacement of dam.

masonry arch dam; danger elimination and reinforcement; reinforcement scheme; numerical simulation; stress and displacement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.020

2017-02-01

2017-03-09

中央高校基本科研業(yè)務費資助項目(2014ZZ0009)

何奇濱(1994—)，男，廣東茂名人，碩士研究生，研究方向為水工結構工程。E-mail：ctheqibin@mail.scut.edu.cn

唐欣薇(1980—)，女(滿族)，遼寧撫順人，博士，副教授，碩士生導師，主要從事巖土工程和水工結構方面的教學與研究工作。 E-mail：cttangxw@scut.edu.cn

TV641.3+1

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1672—1144(2017)03—0100—04