行車荷載對水庫大壩壩頂路面影響有限元分析

張 通

(遼寧省農(nóng)村水利建設管理局，遼寧 沈陽 110003)

壩頂路面作為小型水庫重要組成部分，一方面為日常交通及檢查維修提供便利；另一方面在出現(xiàn)險情時可以保障搶險隊伍、搶險機械及時達到險情壩段，確保水庫安全運行[1]。隨著水庫服役年限的增加，壩頂路面受到自然老化、風力侵蝕、溫度荷載、波浪淘刷及行車荷載等因素的作用，不同程度地會發(fā)生裂縫、破碎、隆起、沉陷及車轍等損壞，造成道路整體性、平整度和抗滑性能下降，道路服務能力下降，影響道路行車安全[2- 3]。小型水庫除險加固中，存在壩頂路面返修或重建的除險加固項目占比非常大。以遼寧省為例，2017、2018年涉及除險加固任務水庫分別為14、18座，其中存在壩頂?shù)缆贩敌薏‰U項目的水庫分別為9、15座，分別占64.3%和83.3%。導致壩頂路面破壞的因素較多，大致可分為環(huán)境因素和交通因素，其中：交通因素包括行人荷載和行車荷載?？紤]到水庫日常運行時，壩頂路面行人通過量較小，行人荷載對路面結(jié)構變形影響不大，幾乎可以忽略；而行車荷載其隨荷載大小變化對道路內(nèi)部結(jié)構產(chǎn)生較大影響，尤其當荷載超過路面材料極限應力或累計變形量超過極限變形時，則會導致路面發(fā)生裂縫、車轍等破壞，影響壩頂路面行車安全[4- 5]?；诖?，本文以遼寧省朝陽市龍城區(qū)水泉溝水庫除險加固項目為例，采用三維有限元法，對水庫大壩壩頂路面在靜荷載及移動荷載情況下的結(jié)構應力進行深入分析，探討行車荷載對路面結(jié)構的影響，以指導壩頂路面除險加固工程甚至新建工程設計優(yōu)化實踐。

1 水庫概況

水泉溝水庫是20世紀70年代初建成的小Ⅱ型水庫，位于朝陽市七道泉子鎮(zhèn)境內(nèi)水泉溝河上，設計洪水位234m，校核洪水位235.7m，校核重現(xiàn)期20年一遇，控制流域面積4.7km2，工程主要任務以防汛為主兼顧下游農(nóng)田灌溉。2018年對水泉溝水庫進行除險加固，主要任務為：拆除大壩迎水側(cè)干砌石護坡，設置干砌石護腳；對背水坡整形，采用碎石護坡進行防護，新建排水體；新建壩頂泥結(jié)石道路等。壩頂?shù)缆返膿p毀和頻繁維修不僅會影響水庫正常運行和防汛安全。同時還會耗費大量資金和人力物力，降低水庫運行經(jīng)濟效益。因此，在壩頂路面除險加固時合理探討壩頂路面破壞機制，為工程實踐提供指導具有重要現(xiàn)實意義。

2 計算參數(shù)及分析條件

水泉溝水庫壩頂長185m，寬10m，泥結(jié)土路面面層30cm，墊層20cm。其中，新建壩頂?shù)缆凡捎媚嘟Y(jié)路面，層厚30cm；基層采用原石灰土道路，層20cm；路基為土基。壩頂?shù)缆方Y(jié)構層特性參數(shù)見表1。

表1 壩頂泥結(jié)石道路結(jié)構層參數(shù)表

壩頂?shù)缆吩谪Q直方向的尺寸遠小于其在水平方向的尺寸，考慮水庫壩頂?shù)缆啡粘靡孕熊嚭奢d為主[6- 8]，采用有限元對壩頂路面結(jié)構層進行荷載應力分析時，將其簡化為包含泥結(jié)石路面面層和石灰土墊層的雙層立體結(jié)構，考慮路面結(jié)構簡單，確定分析條件為：

(1)結(jié)構層均由線彈性材料組成，各項參數(shù)均為常數(shù)，在各個方向上的特性相同。

(2)結(jié)構層尺寸在水平方向上為無限連續(xù)，但在豎直方向上為有限。

(3)結(jié)構層間為完全連續(xù)接觸，發(fā)生位移時，位移在各結(jié)構層及層間完全連續(xù)。

3 道路結(jié)構應力有限元分析

3.1 有限元模型構建

沿水平方向構建截面為正方形的三層立方體結(jié)構，并采用Solid45單元對其進行網(wǎng)格劃分。沿壩軸線指向溢洪道方向設定為x方向，取長度200cm；垂直壩軸線指向下游方向設定為y方向，取長度200cm；路面縱深反向設定為z方向，泥結(jié)石面層、石灰土墊層、原有壩體土基層自上而下依次取長度30cm、20cm和115cm，基層底面及各個側(cè)面均施加固定約束。水泉溝水庫壩頂?shù)缆方Y(jié)構模型及網(wǎng)格劃分，如圖1—2所示。

圖1 泥結(jié)石道路結(jié)構模型圖

圖2 泥結(jié)石路面網(wǎng)格劃分圖

3.2 道路結(jié)構層靜態(tài)應力分析

按照《泥結(jié)碎石路面技術要求及驗收規(guī)范》，泥結(jié)碎石路面以骨料、粘土作為填充料，經(jīng)反復壓實后形成的多層疊加結(jié)構[9]，進行靜態(tài)應力分析時，按照單軸雙輪組標準施加荷載，即：軸載BZZ-100，軸載P軸=100kN，輪載P輪=25kN，輪胎內(nèi)壓p=0.7MPa。單側(cè)的雙輪為單圓荷載，輪胎與路面接觸近似為20cm正方形。由于行車荷載對壩頂?shù)缆费豿方向兩側(cè)對稱，為簡化分析僅對單側(cè)受力進行分析。最不利工況下為：單側(cè)行車荷載作用于板x方向邊緣中部。經(jīng)模擬分析，計算得路面沿x方向應力云圖和沿z向位移云圖，如圖3—4所示。

圖4 z方向位移云圖

由圖3—4可知，在靜荷載作用下荷載下方泥結(jié)石路面面層與石灰土墊層接觸處的拉應力最大值為0.326MPa；最大壓應力和最大位移均發(fā)生在路面荷載作用點附近，分別為0.431MPa和0.139cm。分析成果表明：路面面層在受荷載作用時，面層表面以變形破壞為主，而面層底部以拉裂破壞為主。因此，壩頂?shù)缆纺嘟Y(jié)碎石路面在施工時，應嚴格控制施工條件和特性指標，確保面層結(jié)構的變形和抗拉性能滿足規(guī)范要求，確保工程質(zhì)量。

3.3 道路結(jié)構層動態(tài)應力分析

水庫壩頂路面除承受靜荷載作用外，還承擔移動荷載作用。與靜荷載相比，移動荷載更為常見，對道路結(jié)構的影響及持續(xù)時間也更長。為更加全面對水庫壩頂?shù)缆肥芰η闆r進行全面分析，在移動荷載條件下對道路結(jié)構應力響應進行深入分析。按圖1和圖2模型建模，其中:x方向長度取400cm并劃分為20個單元，其余參數(shù)同靜荷載模型。

在壩頂路面實際行駛中，常見行駛速度為30～40kM/h，動態(tài)應力分析時，選取V=30km/h，以1m為研究單元，選取0.12s，0.24s，0.36s和0.48s共4個時間點，對道路結(jié)構的x方向應力與z方向位移進行模擬，分析結(jié)果如圖5—6所示。

由圖5和圖6可知，隨著移動荷載向x方向移

圖5 30km/h車速下道路結(jié)構x方向應力云圖

圖6 30km/h車速下道路結(jié)構z方向位移云圖

動，相應荷載和位移均沿自上而下方向在不同結(jié)構層間傳遞，動力響應具有明顯波動性質(zhì)[10]。不同時間點泥結(jié)石路面結(jié)構內(nèi)最大拉應力分別為0.043、0.04、0.064、0.068MPa，均出現(xiàn)在面板底部與墊層接觸處，小于靜荷載作用下的0.326MPa；不同時間點z向位移分別為0.008、0.015、0.021、0.024cm，均小于靜荷載作用下的z向位移。因此，總體來講，移動荷載對泥結(jié)石路面結(jié)構的拉應力、壓應力和位移的影響較靜荷載小。在施工中應注意對施工條件的控制，提高面層及層間接觸面變形和抗拉性能，減少或防止推擠、擁包等病險除險。

4 結(jié) 論

根據(jù)水泉溝水庫除險加固新建壩頂泥結(jié)石道路，在靜荷載和移動荷載條件下的路面有限元應力分析，對比不同部位、不同結(jié)構層與層間和不同時間點條件下，面層拉應力、最大壓應力和位移出現(xiàn)的位置、變化趨勢，得到以下結(jié)論：

(1)泥結(jié)石道路在受到行車荷載作用時，結(jié)構變形最大值發(fā)生在面層與行駛車輛接觸處，拉應力最大值發(fā)生在泥結(jié)石面層底部與墊層接觸處。

(2)移動荷載作用下，道路結(jié)構內(nèi)產(chǎn)生的應力和位移均小于靜荷載。

(3)建議在施工中應注意對施工條件的控制，確保面層結(jié)構滿足變形及抗拉強度的要求。同時，實踐工程中可在路面面層與墊層間設置土工膜等應力消減層，改善路面結(jié)構應力分布，增強延緩和抑制反射裂縫產(chǎn)生。