淺談對新型混凝土的實(shí)驗(yàn)研究

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1計(jì)算模型及參數(shù)

1.1計(jì)算模型

壩頂高程為960.00m，最大壩高為60m?；旌蠅斡?jì)算以其為參考對象，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，進(jìn)一步與該壩的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。擬定混合壩的截面尺寸如下:壩高H=60m，墻頂寬度t1=1m，坡比m=0.2，支墩寬度w=2m，支墩間距s=20m，支墩長度l=40m，支墩高度h=30m。根據(jù)壩體的材料分區(qū)并考慮到大壩的施工順序，對選定的計(jì)算斷面進(jìn)行單元剖分。混凝土墻是整個(gè)大壩的核心，也是研究的重點(diǎn)，因而此部分的單元劃分較密，沿厚度方向共劃分了5層單元，如圖2所示。壩體共計(jì)7338個(gè)單元、9361個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元類型為8節(jié)點(diǎn)六面體線性完全積分單元，即C3D8。該心墻壩網(wǎng)格圖略。本文將對建在基巖上的相同壩高的兩個(gè)壩型進(jìn)行比較。

1.2計(jì)算參數(shù)

壩基也采用線彈性模型，彈性模量E=30GPa，泊松比ν=0.2，密度ρ=2.4g/cm3。計(jì)算中按照大壩實(shí)際的填筑及運(yùn)行過程進(jìn)行模擬，即首先連續(xù)填筑壩體至壩頂，然后蓄水，總共14個(gè)加載級。第1～10步模擬大壩連續(xù)填筑過程，其中，混凝土先于堆石填筑，從壩基面逐步上升至壩頂;第11～14步模擬水庫水位逐漸上升至正常蓄水位的過程。

2計(jì)算結(jié)果分析

在竣工期混凝土墻主要受重力和墻后土壓力的作用，蓄水后受到重力、上游水壓力、壩底揚(yáng)壓力和墻后土壓力的共同作用?；炷翂Φ目够€(wěn)定和應(yīng)力穩(wěn)定安全控制標(biāo)準(zhǔn)暫時(shí)按重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行，暫不考慮溫度荷載的影響?；炷翂κ艿降耐翂毫Ψ植妓?，可以看出，由于模型的底部邊界及側(cè)邊邊界的約束作用，在混凝土墻的底部，土壓力計(jì)算值與庫倫土壓力計(jì)算值之間存在一定的偏差。這種位移模式也就是通常所說的擋墻繞墻底端轉(zhuǎn)動，即RB模式。在這種位移模式下，水平土壓力分布呈明顯的非線性，大致為底部壓力不為零的拋物線分布，與王仕傳等計(jì)算結(jié)果的剛性擋土墻背后主動土壓力趨勢類似，數(shù)值略小。蓄水后，由于支墩存在，承擔(dān)了大部分的水壓力，對土壓力分布沒有太大的影響。進(jìn)一步計(jì)算可以得到，合力作用點(diǎn)位于墻底以上0.34H處，按庫倫主動土壓力理論，合力作用點(diǎn)應(yīng)位于墻底以上0.33H處，有限元計(jì)算結(jié)果之所以大于庫倫土壓力的理論值，主要是因?yàn)檫吔鐥l件造成混凝土墻底部土壓力小于直線分布土壓力值。該結(jié)果與陳頁開的研究結(jié)果相符。在竣工時(shí)，墻體的彎矩從上到下逐漸增大，頂部增長較緩慢。墻體以受壓彎為主，墻后土壓力產(chǎn)生的彎矩使墻體上游面受壓、下游面受拉，自身重力使墻體受壓。計(jì)算結(jié)果顯示，墻體受重力作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于由土壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，所以竣工期墻體不會出現(xiàn)拉應(yīng)力。相應(yīng)地，在蓄水期水壓力起主要作用，使混凝土墻上游面受拉，最大拉應(yīng)力為2MPa，出現(xiàn)在墻踵位置，略高于混凝土的抗拉強(qiáng)度，與重力壩類似。但有限元計(jì)算結(jié)果通常在墻踵處最大拉應(yīng)力會略高于實(shí)測值，主要是由于墻踵角緣區(qū)的奇異性使有限元解答在此部位失真，但此范圍很小。楊清平等用主拉應(yīng)力相對寬度brl=b/B×100%來表示壩踵處主拉應(yīng)力的分布(其中b為混凝土墻底主壓應(yīng)力寬度;B為混凝土墻底寬度)，利用此公式算得brl=12.5%，該結(jié)果與重力壩結(jié)果相近，說明混凝土墻的應(yīng)力是在可接受范圍之內(nèi)的。同時(shí)，為了提高安全性，可以在混凝土墻內(nèi)部布置適當(dāng)?shù)氖芾摻?，限制裂縫的發(fā)展。對于混合壩沿壩底地基面的抗滑穩(wěn)定，可參考重力壩相關(guān)規(guī)范，本文采用抗剪強(qiáng)度公式K=f∑W∑P，得到竣工期Kc=1.7，蓄水期Kw=1.2，2個(gè)結(jié)果都大于容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，所以混凝土墻滿足抗滑穩(wěn)定要求。

3結(jié)語

在竣工期，支墩受到墻背后主動土壓力水平分力(即承受兩相鄰支墩的跨中至跨中長度與支墩高度h范圍內(nèi)及上部的土壓力)、支墩和墻體自重以及土壓力豎向分力的作用，支墩最大的豎向壓力為2.3MPa。蓄水后增加的水壓力也主要由支墩承擔(dān)，豎向壓力增加至5.4MPa。支墩可視為錨固在壩基上的“T”形變截面懸臂梁，墻面作為該“T”形梁的翼緣板，以受彎剪為主。土壓力除了對支墩產(chǎn)生彎矩外，還會產(chǎn)生剪力。支墩受到的最大主拉應(yīng)力(約3MPa)出現(xiàn)在蓄水期支墩與混凝土墻連接處很小的范圍內(nèi)，可以通過布置適當(dāng)?shù)氖芾?、剪鋼筋解決。由于拉應(yīng)力出現(xiàn)在下游部分，對滲流無較大影響。堆石體計(jì)算得到堆石在蓄水期的應(yīng)力水平等值線所示，堆石體大部分區(qū)域的應(yīng)力水平為0.3～0.5，最大值出現(xiàn)在堆石中上部，約為0.8。該心墻堆石壩應(yīng)力水平計(jì)算結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?壩體內(nèi)除心墻的部分區(qū)域應(yīng)力水平達(dá)到0.8，大部分區(qū)域?yàn)?.4～0.6。對比可以看出，混合壩堆石體的應(yīng)力水平略低于心墻壩。主要原因如下:(a)混凝土墻的影響，對于混合壩，墻體承擔(dān)了部分的土壓力，使最大主應(yīng)力向下游移動，最大值位于堆石下游38m左右，而心墻堆石壩則位于壩軸線處。下游坡比不同，混合壩下游坡比和面板壩相似(為1∶1.5左右)，而心墻堆石壩的坡比往往取值較小，為1∶2左右。壩坡越緩，會導(dǎo)致壩體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力越大。所以混合壩的應(yīng)力水平更低，穩(wěn)定性更好。心墻堆石壩由于壩體上游堆石、過渡層浸水減載作用，主應(yīng)力減小，該區(qū)域應(yīng)力水平較高;混合壩類似現(xiàn)象不明顯。

作者：劉汗龍 單位：河海大學(xué)