淺談對新型混凝土的實驗研究
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1計算模型及參數
1.1計算模型
壩頂高程為960.00m，最大壩高為60m。混合壩計算以其為參考對象，并在此基礎上進行優化計算，進一步與該壩的計算結果進行比較。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。根據壩體的材料分區并考慮到大壩的施工順序，對選定的計算斷面進行單元剖分。混凝土墻是整個大壩的核心，也是研究的重點，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7338個單元、9361個節點，單元類型為8節點六面體線性完全積分單元，即C3D8。該心墻壩網格圖略。本文將對建在基巖上的相同壩高的兩個壩型進行比較。
1.2計算參數
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。計算中按照大壩實際的填筑及運行過程進行模擬，即首先連續填筑壩體至壩頂，然后蓄水，總共14個加載級。第1～10步模擬大壩連續填筑過程，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計算結果分析
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、壩底揚壓力和墻后土壓力的共同作用。混凝土墻的抗滑穩定和應力穩定安全控制標準暫時按重力壩設計規范執行，暫不考慮溫度荷載的影響。混凝土墻受到的土壓力分布所示，可以看出，由于模型的底部邊界及側邊邊界的約束作用，在混凝土墻的底部，土壓力計算值與庫倫土壓力計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，與王仕傳等計算結果的剛性擋土墻背后主動土壓力趨勢類似，數值略小。蓄水后，由于支墩存在，承擔了大部分的水壓力，對土壓力分布沒有太大的影響。進一步計算可以得到，合力作用點位于墻底以上0.34H處，按庫倫主動土壓力理論，合力作用點應位于墻底以上0.33H處，有限元計算結果之所以大于庫倫土壓力的理論值，主要是因為邊界條件造成混凝土墻底部土壓力小于直線分布土壓力值。該結果與陳頁開的研究結果相符。在竣工時，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。計算結果顯示，墻體受重力作用產生的壓應力大于由土壓力產生的拉應力，所以竣工期墻體不會出現拉應力。相應地，在蓄水期水壓力起主要作用，使混凝土墻上游面受拉，最大拉應力為2MPa，出現在墻踵位置，略高于混凝土的抗拉強度，與重力壩類似。但有限元計算結果通常在墻踵處最大拉應力會略高于實測值，主要是由于墻踵角緣區的奇異性使有限元解答在此部位失真，但此范圍很小。楊清平等用主拉應力相對寬度brl=b/B×100%來表示壩踵處主拉應力的分布(其中b為混凝土墻底主壓應力寬度;B為混凝土墻底寬度)，利用此公式算得brl=12.5%，該結果與重力壩結果相近，說明混凝土墻的應力是在可接受范圍之內的。同時，為了提高安全性，可以在混凝土墻內部布置適當的受拉鋼筋，限制裂縫的發展。對于混合壩沿壩底地基面的抗滑穩定，可參考重力壩相關規范，本文采用抗剪強度公式K=f∑W∑P，得到竣工期Kc=1.7，蓄水期Kw=1.2，2個結果都大于容許抗滑穩定安全系數，所以混凝土墻滿足抗滑穩定要求。
3結語
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，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生彎矩外，還會產生剪力。支墩受到的最大主拉應力(約3MPa)出現在蓄水期支墩與混凝土墻連接處很小的范圍內，可以通過布置適當的受拉、剪鋼筋解決。由于拉應力出現在下游部分，對滲流無較大影響。堆石體計算得到堆石在蓄水期的應力水平等值線所示，堆石體大部分區域的應力水平為0.3～0.5，最大值出現在堆石中上部，約為0.8。該心墻堆石壩應力水平計算結果如圖7所示。可以看出:壩體內除心墻的部分區域應力水平達到0.8，大部分區域為0.4～0.6。對比可以看出，混合壩堆石體的應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，墻體承擔了部分的土壓力，使最大主應力向下游移動，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，會導致壩體內部產生的應力越大。所以混合壩的應力水平更低，穩定性更好。心墻堆石壩由于壩體上游堆石、過渡層浸水減載作用，主應力減小，該區域應力水平較高;混合壩類似現象不明顯。
作者：劉汗龍 單位：河海大學