碾压混凝土坝与常态混凝土坝的变位分析

碾压混凝土坝与常态混凝土坝的变位分析
摘要：碾压混凝土坝是当今乃至未来最受欢迎的筑坝方案，已成为水利水电工
程建设中的主要建筑类型。

本文对碾压混凝土坝与常态混凝土坝的变位进行了阐述。

关键词：碾压混凝土；常态混凝土；位移
碾压混凝土坝是70年代以来国际上一项新的筑坝技术，是对传统混凝土大坝设计理论和施工技术的一次重大改革。

它不仅有常态混凝土拱坝具有的超载能力大、工程量少的特点，而且具有水泥用量少、准备工作少、大仓面施工快的特点，所以近年来发展迅速。

一、碾压混凝土坝特点
碾压混凝土坝是采用超干硬性的混凝土经过逐层的铺垫碾压而成的混凝土坝，它是将土石坝设备和技术应用于混凝土坝施工的一种新型坝。

自70世纪70年代
以来，碾压混凝土坝技术发展迅速，适用于混凝土重力坝、混凝土拱坝等坝型。

1、施工工艺简单，速度快，工期短。

碾压混凝土坝采用功率大、生产效率高
的施工机械和设备施工，并进行通仓薄层浇筑。

施工工作面大，可交错薄层连续
上升，不需间歇养护；省去了常态混凝土施工中的立模、养护、拆模、接缝灌浆
等工序，从而节省了时间，加快了施工进度。

因此，可缩短工期，提前发挥工程
效益。

2、水泥用量少，成本低。

常态混凝土坝的单方水泥用量均在200ks/m3以上，而碾压混凝土因采用干硬性混凝土，减少了水量和水泥用量。

当前，碾压混凝土
坝单方水泥量仅为50～90kg/m3，但强度仍能满足或超过设计要求。

随着水泥用
量的大幅度减少，可降低工程造价，提高工程投资效益。

3、简化温控措施，减少坝体纵缝。

因碾压混凝土中水泥用量少，坝体采用薄
层交替浇筑，表面散热条件好，能极大地降低混凝土的水化热及温升。

因此，通
常可不采取专门的降温散热措施。

在坝体施工中，可不设纵缝，少设或不设横缝，既节省了模板与止水的费用，又取消了纵缝灌浆系统和灌浆工程，进一步简化了
混凝土坝的施工工艺。

二、基本资料及计算方案
1、基本资料。

初期发电水位550米，下游水位486.3米；正常蓄水位588米，下游水位487.4米；设计洪水位588.3米，下游水位497.9米；校核洪水位591.8米，下游水位502.5米。

2、计算方案。

平面有限元分析以厂房坝段0+136米断面为代表,大坝用“金包银”形式(即在上游防渗层、基础垫层、下游保护层、廊道及压力管道周围等采用
常态混凝土)。

根据大坝常态混凝土和碾压混凝土的不同区域，分别考虑了两种方案。

为了便于比较，计算中还考虑了原设计的常态混凝土方案,即:
第一方案:所有大坝断面均采用常态混凝土。

第二方案:大坝引水管道下方采用碾压混凝土。

第三方案:大坝引水管道以下及引水管道以上高压开关站平台部位采用碾压混
凝土。

碾压混凝土分区及单元剖分如图1所示。

上述三种方案考虑以下荷载组合和工况(不考虑厂房设备的重量):
①第一方案:
工况一:厂坝联合作用、自重+扬压力+泥沙压力+正常蓄水位
工况二:厂坝联合作用、自重+扬压力+泥沙压力+校核洪水位
工况三:厂坝分缝、自重+扬压力+泥沙压力+正常蓄水位
工况四:厂坝分缝、自重+扬压力+泥沙压力+校核洪水位
②第二方案:
工况一:厂坝联合作用、自重+扬压力+泥沙压力+正常蓄水位
工况二:厂坝联合作用、自重+扬压力+泥沙压力+校核洪水位
工况三:厂坝分缝、自重+扬压力+泥沙压力+正常蓄水位
工况四:厂坝分缝、自重+扬压力+泥沙压力+校核洪水位
③第三方案:
工况一:厂坝联合作用、自重+扬压力+泥沙压力+正常蓄水位
工况二:厂坝联合作用、自重+扬压力+泥沙压力+校核洪水位
工况三:厂坝分缝、自重+扬压力+泥沙压力+正常蓄水位
工况四:厂坝分缝、自重+扬压力+泥沙压力+校核洪水位
三、力学模型
1、基本假设。

为了简化有限元力学模型在荷载和边界条件下的计算，方便离散化方案的实现，特作如下假设：
1)将多孔复杂的厂坝空间结构简化为一个以0+136断面为代表,1米厚的平面问题。

2)根据变厚度、变容重、变弹模的平面问题，对大坝引水管道、厂房蜗壳、尾水管、副厂房等孔洞进行处理。

3)基础岩石范围,在坝踵向上游、尾水管出口向下游,基础面向下均取二倍的建筑物高度(最大坝高132米),且按平面应变问题处理。

4)厂坝之间接缝及厂坝基础的连接按夹层单位处理。

2、离散化方案。

平面有限元计算的力学模型是将整个求解域离散为在节点处相互铰结的某种几何形状(三角形4～8个节点四边形单元)的单元集合体。

这种限制了刚体位移(满足完备性要求)并在单元内部及相邻单元的公共边上保持位移连接(满足相容性要求)的离散集合体,因单元形状的不同会产生离散误差，直接影响计算精度及计算工作。

根据分段近似原理，当单元尺寸愈分愈小时，这种离散误差将趋于减小。

理论上当单元尺寸接近零时，误差也接近零。

该水电站厂房及坝体结构由5种材料分区组成：坝体常态混凝土区、坝体碾压混凝土区、大坝引水管道区、厂房混凝土区、机井及厂房尾水管区，根据材料分区范围和结构特征，对单元进行划分。

利用前处理程序按照材料分区点的控制坐标即可自动形成坝体及厂房部分的单元剖分。

如图1所示,单元总数为631。

水电站厂坝基础结构十分复杂，每个断层和泥化夹层根据其走向和厚度，利用其控制点坐标形成的线性方程来形成单元划分。

每一个构造面都由两条互相相等的线性方程控制，两条直线间的距离即为其厚度。

四、计算成果及分析
1、联合作用下三种浇筑方案的厂坝位移变化规律完全一致，即整个结构沿下游方向和垂直向下方向位移，坝体最大水平位移出现在顶部595.1米高程处，各种工况下最大数值如表1所示。

最大垂直方向位移发生在大坝后高压开关场平台顶部525.3米高程处，最大数值如表1所示。

三种混凝土浇筑方案在厂坝分缝单独作用条件下的位移变化规律也相同，即
整个结构沿水平下游方向和垂直向下方向位移，最大水平位移发生在坝顶595米处，最大垂直位移发生在坝后高压开关场平台顶部525.3米处，各种工况下的最
大位移见表2。

2、由上述分析可知，厂坝联合作用后，坝体与厂房结合面紧密结合,在厂房
结构的作用下，坝体的水平位移小于厂坝分缝单独作用后相应条件下的位移。

受
大坝推力的影响，厂房结构的水平位移比分缝单独作用后相应工况下的位移大。

联合作用后，坝体的垂直位移较小，而厂房结构的垂直位移小于分缝后相应工况
下的位移。

这一厂坝结构相对位移变化规律符合厂坝联合作用的传力基理。

3、厂坝联合作用时，厂房与坝体在接缝面467.7～481米高程范围内完全接触，受下游尾水压力影响，厂房在高程481米向上倾斜。

从467.4～481米高程内接缝面的位移变化均匀，厂坝分缝后，在下游尾水压力作用下，在467.4～481米的高程范围内，厂房接缝面位移由上向下逐渐增大，即最大水平位移出现在底部。

厂坝联合作用和厂坝分缝单独作用下，坝体和厂房的最大位移相同，且数值
相差不大。

4、考虑机组重量，其水平位移数值将减小。

参考文献：
[1]朱伯芳.有限单元法原理及应用.水利出版社,2014.
[2]张晓宏.某水电站碾压混凝土重力坝平面非线性有限元分析.2014(10).。