大石牛水電站拱壩誘導(dǎo)縫分縫設(shè)計(jì)方案及作用分析

李 爽

(遼寧省湯河水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司,遼寧 遼陽(yáng) 111000)

1 工程背景

大石牛水電站位于遼寧省丹東市鳳城市境內(nèi)愛(ài)河干流草河支流上，是一座以防洪和發(fā)電為主，兼有養(yǎng)殖和旅游等諸多功能的綜合性水利樞紐工程[1]，設(shè)計(jì)庫(kù)容2430萬(wàn)m3，裝有3臺(tái)8 MW的貫流式發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)總?cè)萘?4 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.2億kW·h[2]。水電站的大壩為碾壓混凝土拱壩設(shè)計(jì)，最大壩高66 m。由于拱壩在施工過(guò)程中多采取大面積連續(xù)上升的高強(qiáng)度作業(yè)方式，因此在溫度荷載作用下產(chǎn)生的裂縫問(wèn)題比較突出，對(duì)大壩結(jié)構(gòu)的整體性與可靠性產(chǎn)生不利影響。在溫控措施中，合理設(shè)置誘導(dǎo)縫能夠有效改善壩體的約束條件，對(duì)大壩的溫控防裂具有關(guān)鍵性的作用[3]。誘導(dǎo)縫是碾壓混凝土拱壩建設(shè)中，在縫斷面埋設(shè)的中間存在一定縫隙的雙層混凝土板或金屬板[4]。誘導(dǎo)縫的主要作用是在拱壩的縫斷面受到拉應(yīng)力作用時(shí)可以率先開(kāi)裂，從而使拉應(yīng)力獲得釋放，避免周?chē)炷两Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫破壞，以保證大壩混凝土結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的安全穩(wěn)定[5]?；诖?，本文提出了大壩誘導(dǎo)縫的具體設(shè)計(jì)方案，利用ANSYS大型通用有限元軟件對(duì)其作用進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

2 誘導(dǎo)縫設(shè)計(jì)方案

碾壓混凝土拱壩不設(shè)置誘導(dǎo)縫，會(huì)導(dǎo)致十分嚴(yán)重的壩體溫度開(kāi)裂。因此，合理設(shè)置分縫是拱壩設(shè)計(jì)中十分重要的環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)的工程主要采用誘導(dǎo)縫和橫縫相結(jié)合的分縫方式。由于大石牛水電站大壩壩高不大，橫縫施工比較復(fù)雜，不利于施工進(jìn)度的控制。因此僅在壩體的合適部位設(shè)置一定數(shù)量的誘導(dǎo)縫，在減少工程干擾的情況下，達(dá)到控制溫度裂縫的目的。結(jié)合碾壓混凝土拱壩分縫實(shí)踐以及大石牛水電站大壩的實(shí)際情況，擬從左向右分別設(shè)置6條重力式預(yù)制混凝土板雙向間隔誘導(dǎo)縫，其樁號(hào)分別為0+031.52、0+084.13、0+137.13、0+206.43、0+279.53、0+354.45。誘導(dǎo)縫的預(yù)制混凝土板的長(zhǎng)和高為1.0 m和0.3 m，相鄰誘導(dǎo)縫之間的縱向和橫向間距分別為0.6 m和1.5 m。

3 ANSYS有限元計(jì)算模型

3.1 有限元模型的構(gòu)建

ANSYS 有限元軟件是ANSYS 公司推出的一款大型商用有限元軟件，功能十分完善和強(qiáng)大，可以通過(guò)與CAD數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)模型的簡(jiǎn)單調(diào)整，提升網(wǎng)格劃分的合理性與有效性，可以節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間[6]。APDL是ANSYS 有限元軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，利用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，可以大幅縮減優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的工作量，進(jìn)而提高分析的效率[7]。因此，本次研究選擇ANSYS 有限元軟件，以水電站的實(shí)地測(cè)量結(jié)果及設(shè)計(jì)平面圖為依據(jù)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建。研究中選取鄧肯模型作為模擬計(jì)算的本構(gòu)模型，將壩體視為線(xiàn)彈性材料[8]。對(duì)大壩進(jìn)行三維實(shí)體建模，模型以壩軸線(xiàn)指向右岸的方向?yàn)閄軸正方向，以大壩向下游方向?yàn)閅軸正方向；以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向，模型向上下游分別延伸3倍壩高，向底部延伸1.5倍壩高，模型的長(zhǎng)度取50 m。模型的網(wǎng)格劃分采用空間六面體等參單元，125 m高程以下為壩體的強(qiáng)約束區(qū)，125～134 m高程部位為弱約束區(qū)，134 m 高程以上部位為自由區(qū)。鑒于在有限元分析過(guò)程中需要預(yù)先進(jìn)行熱分析，拱壩的外表面多為弧形或扭曲邊界，因此選擇20節(jié)點(diǎn)的高階三維實(shí)體單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，以提升模型分析的精度。最終，整個(gè)模型共劃分為20 980個(gè)網(wǎng)格單元，21 247個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。由于壩體基礎(chǔ)均為同性巖石材料構(gòu)成，因此將模型的所有部分均視為各向同性的線(xiàn)彈性材料。根據(jù)相關(guān)研究成果，矩形誘導(dǎo)縫可以簡(jiǎn)化為等效的橢圓形誘導(dǎo)縫，以降低計(jì)算難度，其長(zhǎng)軸和短軸分別為矩形誘導(dǎo)縫的長(zhǎng)和寬。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

3.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的溫度邊界條件為大壩上游面水位以上的部位為大氣氣溫加2 ℃，以模擬輻射熱的作用和影響，上游面水位以下的部位取庫(kù)水溫；與上游面類(lèi)似，大壩下游面水位以上的部位為大氣氣溫加2 ℃，下游面水位以下的部位取庫(kù)水溫；混凝土澆筑倉(cāng)面的溫度為氣溫加2 ℃。模型地基的各個(gè)側(cè)面設(shè)定為法向位移約束；模型的底面為全位移約束。誘導(dǎo)縫部位的計(jì)算單元按照1.415 MPa的等效強(qiáng)度作為法向抗拉強(qiáng)度。

4 結(jié)果與分析

4.1 應(yīng)力場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果與分析

研究中利用已構(gòu)建的模型，對(duì)大壩施工期至運(yùn)行期的應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬計(jì)算，并從計(jì)算結(jié)果中提取大壩不同部位的最大溫度應(yīng)力，結(jié)果如表1所示。由計(jì)算結(jié)果可知，大壩壩體的應(yīng)力分布與溫度分布特征基本一致，符合一般規(guī)律。受環(huán)境溫度的影響，每年的高溫季節(jié)的壩體混凝土溫度應(yīng)力相對(duì)較大，低溫季節(jié)則相對(duì)較小，呈現(xiàn)出比較明顯的周期性。由表1可知，壩體內(nèi)部不同部位混凝土的最大溫度應(yīng)力值均小于8.5 MPa的C25混凝土抗拉強(qiáng)度值，并有較大的冗余量，完全滿(mǎn)足相關(guān)工程設(shè)計(jì)要求。

表1 壩體混凝土溫度應(yīng)力最大值

4.2 誘導(dǎo)縫開(kāi)裂情況分析

利用大壩應(yīng)力場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)誘導(dǎo)縫的開(kāi)裂情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。為了分析簡(jiǎn)便，并不進(jìn)行斷裂力學(xué)的分析，而建設(shè)誘導(dǎo)縫局部開(kāi)裂產(chǎn)能的縫端應(yīng)力作用可以導(dǎo)致繼續(xù)開(kāi)裂。本文僅將1#和6#誘導(dǎo)縫開(kāi)裂狀態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果列于表2中。由計(jì)算結(jié)果可知，誘導(dǎo)縫的開(kāi)裂全部發(fā)生在冬季。究其原因，主要是外界環(huán)境溫度的下降，會(huì)造成壩體中心和邊界之間的溫差并產(chǎn)生比較大的溫度應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致誘導(dǎo)縫開(kāi)裂。從表2的結(jié)果來(lái)看，在大壩建成運(yùn)行之后的第一個(gè)冬季，上下游面的誘導(dǎo)縫全部開(kāi)裂。這說(shuō)明在環(huán)境溫度迅速降低的情況下，誘導(dǎo)縫能夠按照設(shè)計(jì)要求率先開(kāi)裂，從而保證大壩的安全運(yùn)行。因此，本文設(shè)計(jì)的誘導(dǎo)縫布局合理，可以發(fā)揮釋放溫縮變形，達(dá)到了預(yù)期效果。

表2 1#和6#誘導(dǎo)縫開(kāi)裂狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果

4.3 誘導(dǎo)縫對(duì)壩體應(yīng)力的影響

顯然，誘導(dǎo)縫會(huì)對(duì)壩體的應(yīng)力產(chǎn)生直接影響，研究中利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)壩體應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出的大壩上游面第一主應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖2可知，在誘導(dǎo)縫開(kāi)裂的情況下，壩體應(yīng)力呈均勻分布狀態(tài)，并且有明顯的分區(qū)特征。同時(shí)，誘導(dǎo)縫周?chē)鷧^(qū)域的溫度應(yīng)力值明顯降低。此外，隨著誘導(dǎo)縫開(kāi)裂距離的不斷增大，溫度應(yīng)力的降幅呈不斷縮小的態(tài)勢(shì)。如果忽視誘導(dǎo)縫部位的應(yīng)力集中，其上游面的最大主應(yīng)力值為1.85 MPa，小于該部位混凝土的抗拉強(qiáng)度允許值。由此可見(jiàn)，設(shè)置誘導(dǎo)縫可以消減大壩拱向溫度應(yīng)力，大幅提升大壩本身的抗裂安全性。

圖2 大壩上游面第一主應(yīng)力云圖

5 結(jié) 論

(1)施工期和運(yùn)行期的應(yīng)力模擬結(jié)果顯示，設(shè)置誘導(dǎo)縫方案下壩體內(nèi)部不同部位混凝土的最大溫度應(yīng)力值均小于混凝土抗拉強(qiáng)度值，并有較大的冗余量，完全滿(mǎn)足相關(guān)工程設(shè)計(jì)要求。

(2)在環(huán)境溫度迅速降低的情況下，誘導(dǎo)縫能夠按照設(shè)計(jì)要求率先開(kāi)裂，從而保證大壩的安全運(yùn)行，因此誘導(dǎo)縫布局合理，可以發(fā)揮釋放溫縮變形，達(dá)到了預(yù)期效果。

(3)大壩上游面第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示，設(shè)置誘導(dǎo)縫可以消減大壩拱向溫度應(yīng)力，大幅提升大壩本身的抗裂安全性。