混凝土面板堆石坝面板变形特性研究

杨读尚

(甘肃华研水电咨询有限公司，甘肃兰州 730000)

混凝土面板堆石坝面板变形特性研究

杨读尚

(甘肃华研水电咨询有限公司，甘肃兰州 730000)

随着时代的进步与科技的大力发展，对于以混凝土以及混凝土为主要组成部分的物质都提出了更高的质量要求。其中混凝土面板堆石坝面板也不例外。为了获得混凝土面板堆石坝长期力学行为的定量分析成果，当前最为先进同时也证明是最为有效的方式就是运用ABAQUS有限元数值模拟抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝。鉴于此，本文将会首先研究混凝土面板变形的几大重要影响因素，然后再向大家介绍一下混凝土面板变形的相关特性，最终阐述混凝土面板结构性裂缝（这也是较为常见的）机理分析。

混凝土面板堆石坝 长期性状 工艺改进 预测分析

一、哪些因素直接影响混凝土面板的变形

总的来说，包括以下几大影响因素。

1、混凝土力学特性与载荷。

通常情况下，混凝土面板应力不仅仅受到混凝土力学性能、自身结构以及坝高的影响（影响程度根据实际情况而定），与此同时还会受到地质条件、河谷形态、气候等影响。通过以往大量的实践结果表明，我们还不能忽视施工因素在其中的重大影响作用，比方说面板混凝土施工质量以及养护、水库蓄水与泄水等。混凝土面板作为坝体结构的重要组成部分，造成面板结构受力的因素主要包括以下三种类型：（1）外载荷作用带来的应力。作用于面板上的水载荷或者由地震作用等对面板带来的动应力以及静应力；（2）混凝土变形带来的应力。主要是因为温度以及湿度变化，当变形受到约束后（受约束程度不同）就会自然而然的产生应力；（3）材料内部物理作用或者化学作用引起的应力。事实证明，混凝土中的碱骨料反应、混凝土遭受冻融循环作用以及钢筋锈蚀等因素都会对混凝土产生膨胀作用。总的来说，混凝土面板开裂问题其实就是面板中的抵抗力与破坏力之间的较量，与此同时还会受到包括环境条件、边界条件等因素不同程度的影响，比方说徐变引起的应力松弛、保温保湿条件以及面板自身的极限拉伸、抗拉强度等都会在一定程度上对面板裂缝产生重要影响。除此之外，在周边缝位置，水载荷作用引起混凝土面板的变形会造成接缝张开同时产生剪切变形。周边缝的变形与面板变形、堆石体的变形、坝高等密切相关，这一点同样需要受到相关工作人员的密切注意才行。

2、堆石体变形对面板变形造成的影响。

之前我们已经了解到，堆石体的垫层作为混凝土面板的基础，面板的变形不仅包括自身因素（温度应力、干缩、自重等）引发及水压作用产生，与此同时还受到堆石体变形大小不同程度的影响。通过以往大量的实践结果表明，在水压力作用下面板的变形很多时候会取决于堆石体的变形程度，堆石体的应力变形特性可以决定面板的应力变形状况。经过观察发现，在堆石体分期填筑的期间，支撑面板的旧填堆石体在新填堆石体上部位置的自重作用下，将会产生新的压缩和水平方向的位移。另外一点值得大家注意的是，由于面板刚度相对而言比较大，面板变形与垫层料的变形无法相互协调一致，因此会出现顶部脱开的情况发生，也就是我们常常所说的面板与垫层料脱空。如果一旦发生这种情况，通常会带来以下三种影响。首先是脱空位置的面板会立即失去垫层料的有效支撑，面板的工作条件以及受力状态发生一定程度的改变，同时会大大影响到应力变形与整体协调情况。其次是过大的面板脱空超过面板承受极限的情况下，面板会产生裂缝，一旦裂缝产生之后会使面板的受力形态发生根本性的改变。最后是受到水压作用的时候，脱空位置的面板被压向垫层料，在面板与垫层料紧紧贴在一起的时候面板会同时受到水压和垫层反力的作用。

二、混凝土面板变形的相关特性

1、面板沿着顺坡向变形特性的分析。

相关研究者通过对各大水电站混凝土面板堆石坝面板的数值计算分析发现，面板在施工期的变形趋势为：面板的中下部位置由于受到堆石反向水压力作用，面板上部会在一定程度上朝着坝体内侧偏移。等到水库蓄水后，面板在水压力的作用下向下游变形，底部面板通常会朝着下游侧有一定的位移。除此之外，随着堆石体的变形（无论变形的程度怎样），面板在施工期中下部会朝着上游方向位移，而上部的位移则是向下游的，蓄水后在水压力作用下，面板与坝体都是朝着下游方向位移。与此同时，施工期三分之一坝高以下由于受到两岸坝肩较大程度的约束，外加反向水压力对面板的强大作用，在很多时候造成水压力对面板的作用，从而使得面板中部朝上突出。蓄水后，在较高的水头压力作用下，面板中部朝向下游变形，两侧面板由于受到坝肩的约束，局部会有向上游变形的反翘现象。另外，我们如果从面板的受力特点上来看，施工期面板上游侧并没有外载荷的作用，底部面板内侧会由于受到堆石体沉降变形以及水平方向位移的影响而承受一定量的水平推力（向上游方向的）。总而言之，施工期面板所受到的载荷相对而言比较小，其应力也会比较小。在蓄水期面板主要承受来自水载荷的压力，由于受到坡岸地形约束，蓄水期面板中部主要呈现双向受力受压状态，而岸坡邻近会承受拉应力。

2、分析面板沿着坝轴变形的特性。

事实证明，随着面板堆石体坝高的不断增加，坝体的应力和变形以及大坝的运行状态会产生一些新的特性。而增加坝高会导致堆石体应力水平的不断增加以及面板长度的增加。除此之外，由于堆石材料高度的非线性特性，在高应力条件下的应力变形特性将会对坝体和面板的变形起到极为重要的影响作用。与此同时，增加坝高之后，不仅仅会使混凝土面板在顺着河谷方向上增加挠度变形，更为重要的是使得混凝土面板在沿着坝轴线方向上出现更大的挤压应力。由于受到岸坡地形的作用，河床两侧岸坡位置的堆石体向河谷的中心方向发生位移。面板挤压不仅仅与坝高以及河谷形态密切相关，而且还与坝体变形、面板厚度等一系列综合因素相关。

3、混凝土面板结构性裂缝的机理分析。

通过观察发现，不管是在施工期或者在蓄水期，面板的变形必然会呈现出不同程度的不均匀性（无论是沿坝轴线或者沿顺河谷方向）。另外，由于面板浇筑于堆石体的上部位置，面板无法自由变形。如果面板在堆石体上发生沿面板法向位移的情况下，我们可以将堆石体面板的约束看成为弹性约束；如果堆石体与面板之间产生滑移变形时，堆石体对于面板的约束可以被看成是摩擦约束。事实证明，这两种约束都可以导致面板产生拉应力，而造成面板出现裂缝最为主要的原因就是由于面板内部的拉应力超过了混凝土的抗拉强度。我们究其原因，在岸坡地形的作用下，坝体堆石和面板沿着坝轴方向的变形趋势都是从两岸坡朝向河床中央，通过这种方式将会对河床中部面板形成一定程度的挤压。当坝体和面板的变形超过临界值的时候，这种挤压作用将会直接导致河床中部面板块与块之间比较大的压应力，如果压应力超出混凝土的抗压强度，面板边缘便会产生压裂破损；另一方面，水库蓄水后，在水荷载作用下，面板会向下游侧产生凹向坝内的挠曲变形，在此状态下，面板的中部沿坝坡方向的应力以压应力为主，而顶部和底部则可能出现拉应力。但是，当坝体出现较大变形时，面板的拉应力区则可能会向面板中部延伸，易造成面板出现较大规模的拉裂裂缝，这一点应引起重视。

三、总结语

综上所述，随着科技的不断进步，人们对混凝土面板的质量要求越来越高，而混凝土面板堆石坝面板就是其中之一。然而通过上面的阐述我们会很容易的发现，影响混凝土面板堆石坝面板的因素很多。鉴于此，相关工作者需要对其具体问题具体分析，仔细的分析面板变形的特性之后再进行针对性的处理，及时而且有效排除面板堆石坝设计施工的安全隐患，从而打造出一流的精品工程。

[1]李善平，唐梦君，胡海浪.混凝土面板堆石坝面板变形机理研究[D].第一届堆石坝国际研讨会.2014.

[2]刘军.混凝土面板堆石坝面板变形特性研究[D].水利水电工程：西北农林科技大学.2010.

G322

B

1007-6344（2015）12-0022-01