張 通

(遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)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(xiǎn)情時(shí)可以保障搶險(xiǎn)隊(duì)伍、搶險(xiǎn)機(jī)械及時(shí)達(dá)到險(xiǎn)情壩段，確保水庫安全運(yùn)行[1]。隨著水庫服役年限的增加，壩頂路面受到自然老化、風(fēng)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(wù)能力下降，影響道路行車安全[2- 3]。小型水庫除險(xiǎn)加固中，存在壩頂路面返修或重建的除險(xiǎn)加固項(xiàng)目占比非常大。以遼寧省為例，2017、2018年涉及除險(xiǎn)加固任務(wù)水庫分別為14、18座，其中存在壩頂?shù)缆贩敌薏‰U(xiǎn)項(xiàng)目的水庫分別為9、15座，分別占64.3%和83.3%。導(dǎo)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(yùn)行時(shí)，壩頂路面行人通過量較小，行人荷載對路面結(jié)構(gòu)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(gòu)產(chǎn)生較大影響，尤其當(dāng)荷載超過路面材料極限應(yīng)力或累計(jì)變形量超過極限變形時(shí)，則會導(dǎo)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(xiǎn)加固項(xiàng)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(gòu)應(yīng)力進(jìn)行深入分析，探討行車荷載對路面結(jié)構(gòu)的影響，以指導(dǎo)壩頂路面除險(xiǎn)加固工程甚至新建工程設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)踐。

1 水庫概況

水泉溝水庫是20世紀(jì)70年代初建成的?、蛐退畮?，位于朝陽市七道泉子鎮(zhèn)境內(nèi)水泉溝河上，設(shè)計(jì)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(wù)以防汛為主兼顧下游農(nóng)田灌溉。2018年對水泉溝水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固，主要任務(wù)為：拆除大壩迎水側(cè)干砌石護(hù)坡，設(shè)置干砌石護(hù)腳；對背水坡整形，采用碎石護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)，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(yùn)行和防汛安全。同時(shí)還會耗費(fèi)大量資金和人力物力，降低水庫運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。因此，在壩頂路面除險(xiǎn)加固時(shí)合理探討壩頂路面破壞機(jī)制，為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 計(jì)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(gòu)層特性參數(shù)見表1。

表1 壩頂泥結(jié)石道路結(jié)構(gòu)層參數(shù)表

壩頂?shù)缆吩谪Q直方向的尺寸遠(yuǎn)小于其在水平方向的尺寸，考慮水庫壩頂?shù)缆啡粘?yīng)用以行車荷載為主[6- 8]，采用有限元對壩頂路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行荷載應(yīng)力分析時(shí)，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(gòu)，考慮路面結(jié)構(gòu)簡單，確定分析條件為：

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

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

3 道路結(jié)構(gòu)應(yīng)力有限元分析

3.1 有限元模型構(gòu)建

沿水平方向構(gòu)建截面為正方形的三層立方體結(jié)構(gòu)，并采用Solid45單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。沿壩軸線指向溢洪道方向設(shè)定為x方向，取長度200cm；垂直壩軸線指向下游方向設(shè)定為y方向，取長度200cm；路面縱深反向設(shè)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(gòu)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(gòu)模型圖

圖2 泥結(jié)石路面網(wǎng)格劃分圖

3.2 道路結(jié)構(gòu)層靜態(tài)應(yīng)力分析

按照《泥結(jié)碎石路面技術(shù)要求及驗(yàn)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(fù)壓實(shí)后形成的多層疊加結(jié)構(gòu)[9]，進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析時(shí)，按照單軸雙輪組標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jì)算得路面沿x方向應(yīng)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(yīng)力最大值為0.326MPa；最大壓應(yīng)力和最大位移均發(fā)生在路面荷載作用點(diǎn)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(shí)，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(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制施工條件和特性指標(biāo)，確保面層結(jié)構(gòu)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(gòu)層動態(tài)應(yīng)力分析

水庫壩頂路面除承受靜荷載作用外，還承擔(dān)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(gòu)的影響及持續(xù)時(shí)間也更長。為更加全面對水庫壩頂?shù)缆肥芰η闆r進(jìn)行全面分析，在移動荷載條件下對道路結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)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(shí)際行駛中，常見行駛速度為30～40kM/h，動態(tài)應(yīng)力分析時(shí)，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(shí)間點(diǎn)，對道路結(jié)構(gòu)的x方向應(yīng)力與z方向位移進(jìn)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(gòu)x方向應(yīng)力云圖

圖6 30km/h車速下道路結(jié)構(gòu)z方向位移云圖

動，相應(yīng)荷載和位移均沿自上而下方向在不同結(jié)構(gòu)層間傳遞，動力響應(yīng)具有明顯波動性質(zhì)[10]。不同時(shí)間點(diǎn)泥結(jié)石路面結(jié)構(gòu)內(nèi)最大拉應(yīng)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(shí)間點(diǎn)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(gòu)的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和位移的影響較靜荷載小。在施工中應(yīng)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(xiǎn)除險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

根據(jù)水泉溝水庫除險(xiǎn)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(yīng)力分析，對比不同部位、不同結(jié)構(gòu)層與層間和不同時(shí)間點(diǎn)條件下，面層拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)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(shí)，結(jié)構(gòu)變形最大值發(fā)生在面層與行駛車輛接觸處，拉應(yīng)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(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力和位移均小于靜荷載。

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