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(yàn)室，北京 100038；3.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(jì)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(jì)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(jì)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(duì)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(duì)變形，因此有必要對(duì)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(jì)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(gè)單元和167 553個(gè)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(jì)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(jì)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(yàn)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(jì)規(guī)范》（SL258-2003）和《水閘設(shè)計(jì)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(jì)算分析考慮兩種工況，即完建竣工期和正常蓄水期，計(jì)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(jì)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(jì)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(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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?cè)叫?，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(duì)滑動(dòng)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(duì)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(jì)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(jì)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(shí)候，接頭變形會(huì)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(shí)，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(jì)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。