KLYML水庫大壩瀝青混凝土面板接頭變形有限元分析

孫粵琳，克里木，柳 瑩

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100038；3.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 研究背景

常規(guī)鋼筋混凝土面板壩通常在面板上設(shè)置很多結(jié)構(gòu)縫包括周邊縫和垂直縫等，以達(dá)到施工方便和減少面板開裂的要求。這些結(jié)構(gòu)縫成為面板防滲體系中的薄弱環(huán)節(jié)，其止水缺陷或者失效可導(dǎo)致接縫集中滲漏和大壩的嚴(yán)重變形，對大壩整體安全構(gòu)成威脅甚至引發(fā)潰壩事件[1-6]。與普通鋼筋混凝土面板相比，瀝青混凝土面板自身結(jié)構(gòu)縫少，具有更好的防滲能力，且變形適應(yīng)能力強(qiáng)、施工速度快、一旦出現(xiàn)缺陷便于修補(bǔ)和工程維修，在我國水利水電工程中獲得了越來越多的應(yīng)用[7-8]。瀝青混凝土的滲透系數(shù)小于1.0×10-8cm/s，且瀝青混凝土面板整體性好不需分縫，可以達(dá)到較高的防滲標(biāo)準(zhǔn)。隨著改性瀝青混凝土技術(shù)的日益成熟，瀝青混凝土面板的低溫抗裂問題得到很好解決，國內(nèi)已有寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)修建瀝青混凝土面板壩的成功案例[9]，比如呼蓄上庫瀝青混凝土面板工程，地處嚴(yán)寒地區(qū)，年平均溫度1.1℃，極端最低氣溫-41.8℃[10]，呼蓄電站目前滲漏量仍處于較低水平[8]。根據(jù)國內(nèi)已建抽蓄電站瀝青混凝土面板實(shí)測資料，瀝青混凝土面板本身滲漏量很小，大壩滲漏量主要產(chǎn)生于進(jìn)、出水口周邊結(jié)構(gòu)縫[11]。因此，瀝青混凝土面板壩進(jìn)水口與面板之間的接頭是大壩防滲體系中的關(guān)鍵一環(huán)。目前針對瀝青混凝土面板接頭結(jié)構(gòu)的研究甚少，本文結(jié)合具體工程，旨在通過有限元模擬計算分析瀝青混凝土面板各典型部位接頭的變形，為接頭的具體設(shè)計提供依據(jù)。

新疆KLYML水庫工程是一座注入式控制性水利樞紐，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模中型。水庫三面筑壩，大壩為瀝青混凝土面板壩，壩頂高程1126.20 m，正常蓄水位1123.20 m，壩頂寬6 m。供水灌溉洞（明挖方案）由供水灌溉涵洞、閘井、輸水涵洞和輸水渠道組成，供水灌溉洞口布置在壩線溪溝右側(cè)上游，為有壓涵洞，閘井布置在凹槽段右側(cè)壩端的壩體坡角處。進(jìn)水塔設(shè)計如圖1和圖2所示為塔式雙進(jìn)水口，塔體置于上游壩坡之中。由于瀝青混凝土面板本身的防滲性能相對可靠，為了保證防滲體系的整體有效性，面板與供水灌溉洞之間的接頭必須具備一定的變形能力，以適應(yīng)兩者的相對變形，因此有必要對進(jìn)水塔塔身與面板上游壩坡之間的接頭以及大壩底部灌溉洞進(jìn)水口與面板之間的接頭的變形進(jìn)行計算。

圖1 KLYML供水灌溉洞縱斷面圖

圖2 進(jìn)水塔工作門槽中心線剖面圖

2 有限元模型

在供水灌溉洞穿過壩段沿壩軸線方向截取40 m寬度，建立進(jìn)水塔及進(jìn)水口與面板之間接頭的有限元模型。模型在順河方向從面板底部往上游側(cè)延伸50 m，下游側(cè)從進(jìn)水塔底部開始截取140 m，在豎直方向從進(jìn)水塔底板往下取40 m。有限元模型見圖3，包括地基、壩體、墊層、面板、進(jìn)水塔、進(jìn)水口和供水灌溉洞，模型總共包含174 500個單元和167 553個節(jié)點(diǎn)，其中進(jìn)水塔、進(jìn)水口和灌溉洞混凝土結(jié)構(gòu)與壩體及地基之間采用接觸面單元，見圖4。有限元模型在地基底部施加固定約束，上、下游兩側(cè)邊界施加順河向法向約束，左、右岸兩側(cè)邊界施加橫河向法向約束。

圖3 KLYML供水灌溉洞與面板之間接頭的有限元模型

圖4 有限元模型中的接觸面單元

3 計算參數(shù)及荷載

有限元模型中的瀝青面板、墊層、壩體填筑料和地基砂礫石料均采用鄧肯張E-B本構(gòu)模型，塔體、進(jìn)水口和洞身的混凝土材料以及泥巖基礎(chǔ)采用線彈性本構(gòu)模型。具體計算參數(shù)見表1和表2。其中壩基砂礫料的參數(shù)采用飽和固結(jié)排水三軸剪切試驗結(jié)果整理的模型參數(shù)，壩體砂礫料和墊層料的參數(shù)根據(jù)工程類比得到。

表1 鄧肯張E-B模型參數(shù)

表2 線彈性材料參數(shù)

根據(jù)《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范》（SL258-2003）和《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）關(guān)于建基面與土質(zhì)地基之間抗剪強(qiáng)度的規(guī)定，進(jìn)水塔和進(jìn)水口混凝土結(jié)構(gòu)與大壩之間接觸單元的參數(shù)，即摩擦系數(shù)的取值見表3。

表3 進(jìn)水塔及進(jìn)水口與壩體之間的摩擦系數(shù)

計算分析考慮兩種工況，即完建竣工期和正常蓄水期，計算模擬大壩的施工填筑和蓄水過程，主要考慮壩體自重和水荷載的作用，通過有限元程序中的初始應(yīng)力場輸入輸出、生死單元功能及多荷載步計算方法實(shí)現(xiàn)。其中正常蓄水期的上游水位為1123.20 m，水荷載施加在瀝青面板迎水面、進(jìn)水塔出露于面板以上水位以下的外表面、進(jìn)水口外露面，以及進(jìn)水口在工作閘門上游側(cè)的內(nèi)表面。

4 接頭變形成果分析

由于計算過程使用初始應(yīng)力法，每一荷載步得出的位移是該荷載步下的增量，因此面板和接頭的變形成果均為位移增量。接頭變形依據(jù)的是接頭部位兩側(cè)結(jié)構(gòu)的相對變形，包括張開變形、剪切變形和沉陷：張開變形的方向垂直于接縫平面，以張開為正，壓縮為負(fù)；剪切變形平行于接頭的長度方向；沉陷平行于接頭的高度方向。

圖5 竣工期進(jìn)水塔與面板之間接頭的變形沿接頭長度的變化

4.1 竣工期成果分析竣工期進(jìn)水塔與面板之間四個接頭的三向位移見圖5。圖中的橫軸為接頭長度方向，其中頂部和底部接頭均從左岸指向右岸為正，兩岸側(cè)接頭均從頂高程指向底高程為正。從圖中可以看出竣工期進(jìn)水塔與面板之間接頭的變形特征值：（1）進(jìn)水塔與面板之間頂部接頭的張開位移和剪切位移分別小于0.0和0.2 cm，沉陷的最大值為2.57 cm；（2）進(jìn)水塔與面板之間底部接頭處三向變形，即張開位移、剪切位移和沉陷的最大值分別為5.61、0.79和1.60 cm；（3）進(jìn)水塔與面板之間左側(cè)接頭的張開位移小于0.1 cm，剪切位移和沉陷的最大值分別為1.39和2.99 cm；（4）進(jìn)水塔與面板之間右側(cè)接頭的張開位移小于0.0 cm，剪切位移和沉陷的最大值分別為1.50和1.69 cm。

竣工期進(jìn)水口與面板之間三個接頭的三向位移見圖6。圖中的橫軸為接頭長度方向，其中頂部接頭均從左岸指向右岸為正，兩岸側(cè)接頭均從頂高程指向底高程為正。從圖中可以看出竣工期進(jìn)水口與面板之間接頭的變形特征值：（1）進(jìn)水口與面板之間頂部接頭的張開位移小于0.0 cm，剪切位移和沉陷的最大值分別為0.09和0.55 cm；（2）進(jìn)水口與面板之間左側(cè)接頭的張開位移小于0.4 cm，剪切位移和沉陷的最大值分別為3.24和2.30 cm；（3）進(jìn)水口與面板之間右側(cè)接頭的張開位移小于0.1 cm，剪切位移和沉陷的最大值分別為3.62和2.85 cm。

圖6 竣工期進(jìn)水口與面板之間接頭的變形沿接頭長度的變化

4.2 正常蓄水期成果分析正常蓄水期進(jìn)水塔與面板之間四個接頭的三向位移見圖7。從圖中可以看出正常蓄水期進(jìn)水塔與面板之間接頭的變形特征值：（1）進(jìn)水塔與面板之間頂部接頭的最大張開位移、剪切位移和沉陷分別為1.28、0.53和1.37 cm；（2）進(jìn)水塔與面板之間底部接頭的最大張開位移、剪切位移和沉陷的最大值分別為0.38、0.20和0.57 cm；（3）進(jìn)水塔與面板之間左側(cè)接頭的最大張開位移、剪切位移和沉陷分別為0.72、1.25和0.95 cm；（4）進(jìn)水塔與面板之間右側(cè)接頭的最大張開位移、剪切位移和沉陷分別為1.11、1.21和1.05 cm。

圖7 正常蓄水期進(jìn)水塔與面板之間接頭的變形沿接頭長度的變化

圖8 正常蓄水期進(jìn)水口與面板之間接頭的變形沿接頭長度的變化

正常蓄水期進(jìn)水口與面板之間三個接頭的三向位移見圖8。從圖中可以看出正常蓄水期進(jìn)水口與面板之間接頭的變形特征值：（1）進(jìn)水口與面板之間頂部接頭的張開位移小于0.06 cm，剪切位移和沉陷的最大值分別為0.08和0.33 cm；（2）進(jìn)水口與面板之間左側(cè)接頭的張開位移、剪切位移和沉陷的最大值分別為1.05、0.20和0.79 cm；（3）進(jìn)水口與面板之間右側(cè)接頭的張開位移、剪切位移和沉陷的最大值分別為0.67、0.22和1.31 cm。

4.3 接頭接觸參數(shù)的影響面板與進(jìn)水塔和進(jìn)水口的相對變形除了受外荷載和材料力學(xué)特性的影響外，也與兩者之間接頭的接觸參數(shù)，即摩擦系數(shù)f有很大關(guān)系。摩擦系數(shù)越大，混凝土結(jié)構(gòu)與面板之間相對變形越小，但有可能引起面板局部約束過大產(chǎn)生較大應(yīng)變；而摩擦系數(shù)越小，接頭的約束作用越小，面板的局部應(yīng)變越小，但是有可能造成接頭變形過大。為了分析接頭處摩擦系數(shù)f的影響，考慮f=0的極端情況。其中正常蓄水期進(jìn)水塔與面板接頭的三向位移見圖9，進(jìn)水口與面板接頭的三向位移見圖10。

圖9 正常蓄水期進(jìn)水塔與面板之間接頭的變形沿接頭長度的變化（f=0）

從圖中可見，面板與進(jìn)水塔和進(jìn)水口之間接觸單元摩擦系數(shù)降低為0后，進(jìn)水塔和進(jìn)水口與面板之間相對滑動更為容易，接頭的三向最大變形均有明顯增大，在正常蓄水期水荷載的作用下，張開、剪切和沉陷的最大增量位移可達(dá)6.6、6.46和12.1 cm。

圖10 正常蓄水期進(jìn)水口與面板之間接頭的變形沿接頭長度的變化（f=0）

5 結(jié)語

通過對KLYML水庫瀝青混凝土面板壩供水灌溉洞壩段的精細(xì)化有限元計算，得到進(jìn)水塔及進(jìn)水口與面板之間接頭在竣工期和正常蓄水期的三向變形。計算成果表明，供水灌溉洞與面板之間接頭的變形較大：在擬定的接頭摩擦系數(shù)下，最大張開位移為5.61 cm，發(fā)生在面板與進(jìn)水塔之間的底部接頭；最大剪切位移為3.62 cm，發(fā)生在面板與進(jìn)水口之間的右側(cè)接頭；最大沉陷值為3.69 cm，發(fā)生在面板與進(jìn)水塔之間的左側(cè)接頭。當(dāng)進(jìn)水塔和進(jìn)水口混凝土結(jié)構(gòu)與面板之間結(jié)合力較弱的時候，接頭變形會明顯增加，當(dāng)進(jìn)水塔和進(jìn)水口與面板之間接頭的摩擦系數(shù)降為0時，在正常蓄水期水荷載的作用下，張開、剪切和沉陷的最大增量位移可達(dá)6.6、6.46和12.1 cm。在具體的接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和接縫材料以適應(yīng)上述變形。