猴子岩水电站面板堆石坝面板垂直缝垫缝材料研究

孙粤琳，郝巨涛，卢羽平，薛建峰

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都610072；3.中国电力科学研究院，北京100192）

1 面板挤压破坏的应力应变调查

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是大渡河干流水电规划调整推荐22级开发方案的第9个梯级电站。作为坝体防渗结构的混凝土面板及其接缝止水的可靠性成为设计成败的关键。由于混凝土面板的挡水性能相对可靠，对接缝止水结构研究就显得尤为重要。

目前，200 m级面板坝中已开始出现面板接缝混凝土挤压破坏现象，如我国的天生桥一级面板坝（2003年9月）、巴西的巴拉格兰德 （Barra Grande）面板坝 （2005年9月）和坎普斯诺沃斯 （Campos Novos）面板坝 （2005年10月）以及莱索托的莫哈勒 （Mohale）面板坝 （2006年2月）均发生了这类破坏，并逐渐引起人们的关注[1]。大量试验研究成果表明，长期荷载作用下混凝土的单轴极限压应变（对应于峰值应力点的应变）约为3 000×10-6， 且虽随强度的增加而增加，但变化幅度远小于强度的变幅。

天生桥一级面板坝面板压性缝采用硬接缝结构，1997年底开始蓄水，2000年达到正常高蓄水位，2003年6月L3及L4面板之间首次发生垂直缝挤压破坏前，最大水平压应变为948×10-6；最大顺坡向压应变为1 061×10-6。莫哈勒面板坝[2]2002年11月开始蓄水，2006年2月因暴雨库水位猛涨，大坝开始溢流，并发生垂直缝挤压破坏，破坏前水平压应变为 590×10-6， 顺坡向压应变为665×10-6。 以上这些压应变均小于前述极限压应变。

目前面板混凝土的应变多采用应变计观测，且一般埋设在面板混凝土厚度的中部 （水布垭面板坝采用光纤应变计除外，它布置在上下层）。考虑到面板沉陷过程中的转动并造成缝顶部压应变集中[3]，天生桥一级坝和莫哈勒坝面板接缝混凝土发生挤压破坏时的压应变应高于实际观测的、面板中心的应变，偏差的大小应与面板转动的程度有关。鉴于天生桥一级面板坝坝轴线长达1 104 m，面板转动影响应较小，可以偏于安全地采用900×10-6作为临界挤压破坏应变值，这与曹克明[4]的看法也是一致的。

除上述因素外，混凝土标号、配筋情况对挤压破坏应变也有一定影响，在分析时应注意甄别，但由于强度等级对混凝土的极限压应变影响很小，且限于本文研究范围不考虑配筋情况差异的影响，故取900×10-6作为临界挤压破坏应变值。

2 接缝垫板的压缩试验

在垂直缝中设置木垫板是设计软接缝的通常做法。为了进行面板的应力应变分析，需了解面板的压缩力学性能。这里选用桦木和杉木两种木料制作压缩试件，进行压缩试验。

试件尺寸为φ10 cm×2 cm，并在热沥青中浸泡10 min左右，使沥青充分覆盖木料试件表面。试件取出后晾置1 h以上。考虑到试件条纹方向对压缩试验结果的影响，试验之前测量了试件条纹的方向（见图 1）。

图1 木纹方向角示意

此次试验制得杉木试件2块，桦木试件4块。测量发现两种木料试件的条纹方向大致一致，杉木和桦木的方向角分别为60°和55°。

试验按照压缩速率为1.0～1.8 mm/min控制。试验结果中，弹性模量是试件发生屈服以前的取值，屈服应变是荷载变形曲线发生转折时的应变，残余模量是试验结束时的卸载模量。试验结束时发现，除桦木1试件被压成两半外，其他试件外观均完整，另外，试验中采用的变形速率对试验结果基本没有影响。试验结果见图2、3。

图2 杉木应力应变曲线

图3 桦木应力应变曲线

3 面板挤压破坏的子结构静动力数值分析

为了解垂直缝垫缝材料对面板挤压状况的影响，采用ANSYS软件并用子结构法进行了分析。这里以猴子岩面板坝整体有限元分析成果中的垫层表面位移[5]作为分析依据，采用数值分析方法了解不同的接缝设计对面板应力的影响，进而提出了接缝设计的建议。

3.1 面板子结构模型

面板子结构模型如图4所示，由面板和垫层两部分组成。面板和垫层采用总计1 656个三维8节点等参单元 （solid45）剖分，节点数3 732；面板垂直缝、水平施工缝、周边缝采用556个三维8节点接缝单元 （inter195）剖分，节点数2 230；面板和趾板与垫层的交界面采用1 579个三维4节点接触面单元 （targe170&conta173）剖分，节点数1 600。所用面板的物理力学参数见表1。

表1 面板物理力学参数

3.1.1 接缝单元 （inter195）

接缝单元可以按照实际的垫缝材料试验数据定义本构关系。分析中，切向刚度取为定值，其值主要受铜止水的影响。根据 “九五”研究报告中的剪切试验结果[6]，鼻子高为52.5 mm的铜止水的切向刚度为1 050 MPa/m。

图4 面板子结构模型

3.1.2 接触面单元 （targe170&conta173）

接触面单元使用20个实常数控制接触行为。其中法向刚度KN控制两个表面之间的穿透值，其数值应足以确保接触面之间不会发生过大的嵌入；切向物理方程采用库仑摩擦模型，切向刚度KT的计算公式见式（1）。接触面力学参数见表2。

式中，KT为接触面上的切向刚度，MPa/m；α为切向刚度系数，默认为1.0；μ为接触面上的摩擦系数；N为接触面压力，MPa；SL为允许的最大滑移值，m （程序默认取接触长度的1%）。

表2 接触面力学参数[5]

3.2 垫层方案

首先采用大连理工大学所用的接缝参数作为基本接缝方案参数，该方案将河谷的36条垂直缝和水平施工缝的缝宽均取为2 cm，其法向刚度均取为25 000 MPa/m（常数），依据的是木板压缩模量为1 000 MPa；杉木板接缝方案采用较软的杉木板作为垫缝材料，根据前节实验，压缩模量为50 MPa，其法向压力位移关系采用图2中杉木1的实验曲线；桦木板接缝方案采用较硬的桦木板作为垫缝材料，根据前节实验，压缩模量为230 MPa，其法向压力位移关系采用图3中桦木4的实验曲线。

3.3 地震波输入

本次计算中的地震动输入采用场地谱生成的地震波，峰值加速度选用0.297 g（100年超越概率2%）[5]，3条地震加速度时程曲线见图5～7。

图5 顺河向地震加速度时程曲线[5]

图6 竖向地震加速度时程曲线[5]

图7 坝轴向地震加速度时程曲线[5]

3.4 成果分析

3种接缝垫层材料方案的静动力计算成果见表3。由表3可以得出以下结论：

（1）地震工况下，面板的最大水平向和坡向压应力及压应变普遍高于静力工况的相应结果，其中基本方案的最大坡向压应变 （835×10-6）接近临界挤压破坏应变值 （900×10-6），建议采取工程措施，防止地震过程中发生挤压破坏。

（2）与基本方案相比，杉木 （压缩模量 50 MPa）和桦木 （压缩模量230 MPa）方案的面板水平向最大压应力和水平向最大压应变均有所降低，其中杉木方案的地震过程中水平向最大压应力降低最大，余者两种木板方案的降低值相当，以杉木板方案略优。

表3 面板静动力最大值对比结果

（3）与基本方案相比，杉木 （压缩模量 50 MPa）方案的面板坡向最大压应力有所增大，坡向最大压应变降低很少，基本相当；桦木 （压缩模量230 MPa）方案的面板坡向最大压应力和最大压应变均降低，尤其是地震过程中的最大坡向压应变由基本方案的835×10-6降低为538×10-6。因此，桦木（压缩模量230 MPa）方案可以有效降低面板坡向压应变，对于防止面板的水平向挤压破坏明显有利。

（4）与基本方案相比，在垂直缝中设置木板垫缝将增大周边缝、张性缝的最大张开位移，以及地震作用下的接缝最大沉陷位移和剪切位移，其中桦木 （压缩模量230 MPa）板周边缝的动力最大位移分别为张开26.2 mm、沉陷15.3 mm、剪切21.6 mm，垂直缝的动力最大位移分别为张开16.8 mm、沉陷19.2 mm、剪切9.4 mm。这些位移值与本项目研究中要求的接缝指标相比，都是完全可以接受的。

4 小结

目前，防止面板挤压破坏的最常用的措施是将受压缝设成软接缝 （soft vertical joint）以减小混凝土面板中的压应变。本文通过子结构有限元数值计算，分析了猴子岩水电站面板堆石坝面板不同接缝设计对面板应力的影响，从计算结果可知，文中所涉及的两种垂直缝接缝材料均能有效降低面板的水平向最大压应力和水平向最大压应变，鉴于桦木（压缩模量230 MPa）方案有明显降低坡向应变的效果，且其导致的接缝位移变化不大，不会影响止水方案，故推荐采用桦木 （压缩模量230 MPa）方案作为垂直缝的接缝方案。

［1］de S.Pinto N L.Very high CFRD dams-Behavior and design features［C］//3rd Symposium on CFRD Dams.Brazil:2007.

［2］郝巨涛.300 m级高面板堆石坝接缝止水系统变形适应性研究，300 m级高面板堆石坝防渗和止水系统适应性研究［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2009.

［3］郝巨涛，杜振坤.高混凝土面板堆石坝面板接缝挤压破坏预防措施研究［J］.水力发电， 2008， 34（6）:41-44.

［4］曹克明，汪易森，徐建军，等.混凝土面板堆石坝［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［5］大连理工大学，中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.四川省大渡河猴子岩水电站混凝土面板堆石坝三维有限元静动力有限元分析［R］.大连：大连理工大学，2009.

［6］贾金生，郝巨涛，吕小彬，等.适应大变形的接缝止水结构和材料研究［R］.中国水利水电科学研究院，华东勘测设计研究院，2000.