特高混凝土面板堆石壩周邊縫銅止水數值模擬分析

徐 耀，李 蓉，郝巨濤

（1.中國水利水電科學研究院材料所，北京 100038；2.北京中水科海利工程技術有限公司，北京 100038）

1 研究背景

面板接縫止水對混凝土面板堆石壩的安全至關重要［1-2］。在混凝土面板堆石壩的各種接縫止水結構中，銅止水作為一道基本止水一直被沿用至今。銅止水的止水能力主要取決于兩方面的因素：首先是銅片自身在接縫位移和水壓力的作用下，不破裂而具備的止水能力；其次是銅片與混凝土結構之間在上述外力作用下，不與混凝土脫開而具備的抗繞滲能力。銅止水設計中一項很重要的內容，就是確定銅片鼻子的尺寸，它是影響銅止水適應接縫變形能力的關鍵因素。一般為減小接縫位移在銅止水中產生的應力，銅止水鼻子彎曲長度應在接縫寬度的基礎上，大于接縫的設計張開位移值和沉陷位移值之和，并應能適應設計接縫剪切位移值。銅止水鼻子的尺寸與張開位移值和沉陷位移值的關系比較明確，然而與剪切位移值的關系卻較復雜。剪切位移會在銅止水中引起復合應力狀態(tài)，除了可能產生強度破壞以外，還可能發(fā)生銅鼻子結構的失穩(wěn)破壞，因此成為銅止水研究的重點。相關學者通過模型實驗和數值分析方法［3-4］，研究了銅止水的抗剪能力，分析了不同尺寸銅止水在不同接縫剪切位移時的應力水平，為銅止水設計提供依據。對于壩高200 m以下的混凝土面板堆石壩，參照工程經驗與相關規(guī)范［5］，通過選取合適的銅片型式與尺寸，可以使銅止水具備滿足工程要求的止水能力。對于壩高200 m以上的特高混凝土面板堆石壩，由于其接縫三向大變位和高水頭的作用，則需要對止水結構做專門研究。

本文針對某壩高210 m的特高混凝土面板堆石壩，采用數值模擬方法分析在不同條件下銅止水的應力狀況，為銅止水設計提供依據與建議。圖1給出了F型銅止水的初設幾何尺寸（銅鼻子直立段高度H=105 mm，銅鼻子寬度B=30 mm）。該面板壩的周邊縫三向變位的控制標準：張開80 mm、沉降100 mm、剪切80 mm，不僅高于世界已建最高的水布埡面板壩（壩高233 m）周邊縫三向變位的控制標準：張開50 mm、沉降100 mm、剪切50 mm［6］，而且突破了規(guī)范中接縫剪切位移的上限值60 mm［5］。根據工程要求，數值模擬分析還需反映趾板拐角對銅止水的影響，這也是以前銅止水數值分析中沒有考慮的因素［3］。

圖1 F型銅止水的初設幾何尺寸（單位：mm）

2 模型建立

本文采用非線性大變形有限元方法進行分析?？紤]到在數值分析中，銅止水周邊構造主要是確保能有效地將外界荷載和變形傳遞給銅止水，因此對銅止水周邊構造的幾何形狀進行了適當簡化，簡化后的有限元模型見圖2。模型考慮了趾板拐角對銅止水結構受力的影響。銅止水采用薄殼單元模擬，趾板、混凝土面板、水泥砂漿墊層、復合止水條和橡膠墊片都用實體單元模擬。

圖2 銅止水的有限元模型示意圖

在有限元模型中，需考慮各個部分之間的相互作用。對于止水銅片嵌入趾板和混凝土面板的部分采用嵌入方法來考慮。同時，有限元模型考慮了趾板/混凝土面板和止水銅片鼻子表面之間的可能接觸；對于止水銅片鼻子部分自身的各個位置可能接觸，則采用自接觸條件也在模型中予以考慮。

有限元模型中采用的邊界條件為：（1）混凝土面板等比例施加三個方向的位移（張開、沉降和剪切），三向位移分別為80 mm、100 mm、80 mm；（2）約束趾板的所有平動自由度；（3）在止水銅片的鼻子部分施加相應的水壓。有限元模型計算的加載順序如下：（1）將止水銅片的相對位移從（0，0，0）按比例增加到（80，100，80）mm。（2）對變形后的止水銅片施加水壓力，由0增至2.5 MPa。需要說明的是，出于保守考慮施加水壓力至2.5 MPa，大于工程的實際最大水壓力2.1 MPa。

圖3為止水銅片的應力應變曲線［1］，其中抗拉強度和伸長率為工程應力和工程應變，在有限元數值分析中需換算成真實應力和真實應變。工程應力σE和工程應變εE與真實應力σT和真實應變εT之間具有如下?lián)Q算公式：

圖3 銅片拉伸應力應變曲線

根據圖3中的銅片拉伸應力應變曲線，工程應力σE和工程應變εE分別為225 MPa和48.5%；經換算，銅片能承受的最大真實應力σT和真實應變εT分別為334 MPa和40%。

3 初設方案銅止水的數值模擬分析結果

3.1 直線段銅止水的計算結果 首先采用不考慮拐角的銅止水直線段模型來估算止水銅片的厚度t，分別采用1.5 mm和1.8 mm厚度的銅止水進行計算，其拉應變分布見圖4。當厚度t取1.5 mm時，銅止水鼻子局部區(qū)域應力應變超過標準，不滿足要求；當厚度t取1.8 mm時，銅止水鼻子的應力應變不超標，可以滿足要求。因此，在下面考慮拐角的銅止水計算模型中，銅片厚度t取1.8 mm。

圖4 直線段銅止水的拉應變分布

3.2 拐角段銅止水的計算結果 根據工程實際情況，考慮最不利的120o拐角情況。圖5給出了施加三向位移后拐角段銅止水的Mises等效應力分布。在施加三向位移之后，銅止水拐角處就有局部區(qū)域的Mises等效應力達到極限值；當進一步加水壓至2.5 MPa后，拐角附近更多區(qū)域的Mises等效應力達到極限值。相比于直線段銅止水，在拐角部位，由于銅片交匯導致的約束作用，各類接縫位移相互轉化，張開位移可以引起剪切位移，剪切位移也可以引起張開（或壓縮）位移，造成應力狀態(tài)復雜，所以拐角部位的銅止水更易于破壞。

圖5 拐角段銅止水的應力分布

4 改進方案銅止水的數值模擬分析結果

為了提高銅止水的承載能力，將銅止水鼻子直立段高度H由初設方案的105 mm增大至135 mm，銅鼻子寬度B=30 mm保持不變。

4.1 直線段銅止水的計算結果 首先采用不考慮拐角的銅止水直線段模型來估算止水銅片的厚度t，分別采用1.0 mm、1.2 mm和1.5 mm厚度的銅止水進行計算。在施加了接縫的三向位移之后，不同厚度的直線段銅止水極限承載水壓力的計算結果見表1。由表1可以看出，只有1.5 mm厚的銅止水能夠承受大于2.5 MPa的水壓力，所以在以下拐角段銅止水計算中，銅止水厚度t取值1.5 mm。

表1 不同厚度銅止水的極限承載水壓力

4.2 拐角段銅止水的計算結果 根據工程實際情況，考慮了最不利的120°和140°兩種拐角情況。圖6給出了施加三向位移之后銅止水的Mises等效應力分布及其相對于趾板的滑動位移分布。從圖6可以看出，在施加三向位移之后，銅止水拐角附近就已有一小部分區(qū)域的應力達到了極限值。銅止水翼板主要的滑動為相對于趾板沿垂直方向的拔出而非沿平行方向的滑動，這種滑動形式并不能有效減小銅止水的剪切應力。換句話說，拐角限制了銅止水適應剪切變形的能力，拐角的角度越小，約束作用越大。

圖6 施加三向位移之后銅止水的應力分布及其相對于趾板的滑動位移分布

由上述計算結果可知，對于拐角段銅止水，僅僅施加接縫的三向位移之后，拐角部位由于約束作用造成應力集中，導致局部區(qū)域應力超標。拐角段銅止水的極限承載三向位移的計算結果見表2，小于設計值。

表2 拐角段銅止水的極限承載三向位移

4.3 典型拐角段銅止水驗算 前面進行數值計算時，三向位移都采用極限值的最不利情況，偏于保守，實際拐角位置的三向位移要小于這些極限值。綜合考慮拐角角度、水壓力、三向位移值等因素，選取周邊縫典型拐角點X4與X9兩處銅止水進行驗算，相關參數見表3。由于典型拐角點X4與X9的三向位移小于對應的極限承載三向位移（表2），因此可以進一步施加其對應的水壓荷載，計算其應力分布，從而判斷此處的銅止水是否安全。

表3 周邊縫拐角典型控制點

圖7給出了典型拐角點X4和X9兩處銅止水施加三向位移和水壓后的Mises等效應力分布，對應的最大應力值分別為291.2 MPa和272.6 MPa，均小于銅止水真實應力的極限值334 MPa。所以，拐角點X4和X9兩處的銅止水能承受該位置處的三向位移及水壓力，結構安全。在實際工程中，為了確保拐角段銅止水即使局部出現破損也不會產生滲漏通道，建議在銅止水拐角處采用表面粘貼塑性止水板以及涂刷聚脲等措施增大防滲安全裕度［7］。

圖7 典型拐角段銅止水的應力分布

5 結論

（1）對于鼻子高度105 mm、寬30 mm的直線段銅止水，當厚度取1.5 mm時，銅止水鼻子局部區(qū)域應力應變超過標準，不滿足要求；當厚度取1.8 mm時，銅止水鼻子的應力應變未超標，可滿足要求。

（2）對于鼻子高度135 mm、寬30 mm的直線段銅止水，1.0 mm、1.2 mm和1.5 mm厚度的銅止水在三向位移下能夠承受的極限水壓力分別為2.13 MPa、2.38 MPa和不小于2.5 MPa。

（3）對于鼻子高度105 mm、寬30 mm、厚度1.8mm或鼻子高度135 mm、寬30 mm、厚度1.5 mm的拐角段銅止水，僅在施加三向位移、未施加水壓情況下，拐角附近局部區(qū)域的應力即已超標。這是由于拐角限制了銅止水的剪切變形，銅止水無法通過與混凝土之間的相對滑移釋放其剪應力，從而導致拐角處局部區(qū)域出現應力集中。

（4）數值計算結果表明，按照鼻子高度135 mm、寬30 mm、厚度1.5 mm設計，周邊縫典型拐角點X4與X9的銅止水能承受該位置處的三向位移及水壓，結構安全。

（5）綜上所述，推薦周邊縫銅止水按照幾何形狀：鼻子高度H=135 mm、寬度B=30 mm、厚度t=1.5 mm設計，并建議在銅止水拐角處采用表面粘貼塑性止水板以及涂刷聚脲等措施增大防滲安全裕度。