带纵缝RFC重力坝坝基弹模敏感性分析

陈兴梅，邹 爽，曾令福，周礼鹏

(贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

RFC重力坝又称堆石混凝土重力坝，是基于新兴的RFC技术[1- 2]所修建的一种新型材料重力坝。RFC重力坝主要依靠高自密实混凝土的高流动性能和抗离析性能不断地充填堆石骨架空隙，形成整体密实、强度可靠的大体积堆石混凝土。与常规混凝土相比，堆石混凝土材料具有低水泥用量、低水化热、高强度、高工效、经济环境效益突出[3]等优点。RFC重力坝的施工取消了复杂的温控和分缝措施，简化了施工工序，克服了机械碾压和振捣带来的负面影响，极大程度地打破了传统混凝土重力坝的施工局限。

岩基上的重力坝作为一种依靠自重维持自身稳定的悬臂结构，要求坝基具备一定的强度、完整性、不透水性和抗滑能力。坝体应力和抗滑稳定是重力坝安全度的控制指标。文献[4]指出重力坝坝体应力主要受坝基弹模、坝体材料分区、纵缝、温度变化以及分期施工等因素的影响，抗滑稳定则与坝基的坚硬性息息相关。重力坝坝体与坝基相互作用的分析表明，坝基弹模变化对坝体安全度的影响十分显著[5- 7]。坝基缺陷是导致重力坝失事的主要因素[8]。

现阶段RFC技术还处于不断发展中，行业内缺乏相关的规范和标准，许多设计理念还存在较大的分歧和争议。建成的中低RFC重力坝相对较多，高RFC重力坝和RFC拱坝相对鲜见。目前，RFC重力坝的防渗设计参考了传统混凝土坝和浆砌石坝的防渗设计，在坝体上游面设计防渗层[14]。这种设计虽简化了分缝，但当采用常态混凝土浇筑防渗层时，无论是先浇筑常态混凝土防渗层还是先浇筑堆石坝体，防渗层和堆石坝体间会存在一条施工纵缝。对于带施工纵缝工作的RFC重力坝，研究坝基弹模变化对其安全度影响尤其重要。本文以贵州某RFC重力坝工程为实例，采用二维有限元分析方法，开展带施工纵缝的RFC重力坝的工作性态对坝基弹模的敏感性研究。探讨坝基弹模变化对其变形和应力可能产生的影响以及其规律。

1 工程概况

某RFC重力坝坐落于贵州境内，是一座以村镇人畜供水兼顾烟地灌溉用水的小(1)型水库。水库总库容为240万m3，正常蓄水位为1824.00m，工程等别为IV等。大坝为C15堆石砼重力坝，坝顶宽5.0m，最大坝高为45.3m。坝体防渗体系由上游C25W6F100钢筋混凝土防渗层和坝基防渗帷幕构成，上游防渗层厚3.0m。坝体横断面如图1所示。

图1 大坝横剖面图

2 计算模型和方案

重力坝受力状态是典型的平面应变状态，二维模型既能保证重力坝的计算精度也能减少计算量[15]。有限元计算模型采用直角坐标系，以上游坝踵为坐标原点，X正向顺水流向下游，Y正向铅直向上，坝基上下游侧向外扩展长度和坝基深度延伸长度均取两倍坝高约90m。防渗层施工纵缝用5cm薄层单元模型进行仿真[16- 17]，有限元计算模型如图2所示。模型共计17175个单元、17480个节点，坝体单元4125个(薄层单元84个)、坝体节点4250个。

图2 有限元计算模型

依据传统混凝土重力坝设计规范[18]，荷载组合为：静水压力+泥沙压力+扬压力+坝体自重。本文计算工况为校核洪水位情况，除坝基弹模外，其余计算参数均按原设计取值。淤沙浮容重取1.3t/m3，淤沙内摩擦角取18°，扬压力折减系数取0.25，模拟纵缝的薄层单元的弹模、泊松比皆接近于0取值[19]，各材料计算参数见表1。

表1 有限元计算参数表

坝体材料上游防渗层和下游堆石坝体为异弹模，主体材料为堆石混凝土，取堆石混凝土弹模作为坝基弹模的比值对象。E1为堆石混凝土材料弹模，E2为坝基弹模，λ为E1/E2。本文旨在研究坝体变形和应力对坝基弹模变化的敏感性，防渗层和堆石坝体的弹模固定不变，岩石弹模大致在1～100GPa，本文设计方案中坝基弹模最小取到2.5GPa，最大取到80GPa，见表2。仅考虑坝基的线弹性作用，采用无质量的均质的坝基模型进行计算，坝基泊松比按原设计取0.3。

表2 坝基弹模计算方案表

3 结果分析

3.1 坝体位移

坝体上、下游面位移情况见表3和表4。坝体位移与坝基弹模成负相关，即坝基弹模越小，坝体变形越大。坝体顺河向位移对坝基弹模的敏感度为坝趾>坝踵>上游面顶点=下游面顶点>下游面折坡点>上游面折坡点。下游面顺河向位移对坝基弹模变化比上游面更敏感，折坡点以上竖直结构的顺河向位移对坝基弹模的敏感度与其高程呈正相关。坝体铅直向位移对坝基弹模的敏感度为坝踵>坝趾>上游面折坡点>下游面折坡点>下游面顶点>上游面顶点。铅直向位移对坝基弹模的敏感度与其高程呈负相关，上游面铅直向位移对坝基弹模变化更敏感。坝踵、坝趾处的位移变化率最大，说明坝趾、坝踵处位移对坝基弹模变化最为敏感。坝踵区铅直向位移较顺河向位移敏感，坝趾区则正相反。

表3 坝体顺河向位移情况 单位：mm

表4 坝体铅直向位移情况 单位：mm

坝基弹模变化对坝体位移的影响程度与坝体与坝基弹模比λ有关。坝基弹模与坝体弹模大小差异越大，坝体位移的变化率越大即越敏感。当坝体与坝基弹模比在1.25～1.5之间时，坝体位移变化幅度最小。λ<1.25时的位移变化率比λ>1.5时的平缓，说明当坝基弹模大于坝体弹模时，增大坝基弹模对坝体位移优化效果没有当坝基弹模小于坝体弹模时显著。坝基弹模越大，地基刚度越高，对地基岩性和地基处理的要求就越高，相应的工程投资就越大。

3.2 坝体应力

为更清晰的探究坝基弹模变化对坝体应力的影响，表5和表6给出了坝体上下游面的应力随坝基弹模的变化情况。上、下游面坝顶与折坡点的应力受坝基弹模变化的影响较小，可忽略不计。但坝踵与坝趾处应力对坝基弹模的变化十分敏感。顺河向应力除上游面坝顶与坝基弹模成正相关外，其余应力均与坝基弹模负相关。整体上基础越软，顺河向应力越大。坝踵区顺河向拉应力、坝趾区顺河向压应力都随坝基弹模的减小而增大。从应力变化率来看，顺河向应力对坝基弹模的敏感度为坝趾>坝踵。铅直向应力在坝踵区随坝体与坝基弹模比λ的增加而渐渐趋向于压应力。即随坝基弹模的增大，坝踵区铅直压应力逐步下降、铅直向拉应力逐步增加。坝趾区铅直向压应力随坝基弹模的增大而减小，与坝基弹模成负相关。铅直向应力对坝基弹模变化的敏感度为坝踵>坝趾。对比顺河向应力和铅直向应力可看出，坝踵区铅直向应力变化率偏大，对坝基弹模的变化较顺河向应力敏感，坝趾区正好相反。

表6 坝体铅直向应力情况 单位：MPa

同时坝踵应力、坝趾应力对坝基弹模的敏感程度也与坝体与坝基弹模比λ相关。坝体与坝基弹模比λ在1.25～1.5之间的应力变化率最小，随着坝基弹模与坝体弹模差距的逐步增大，坝体应力对坝基弹模的敏感性也逐步增强，与位移规律类似。λ<1.25时，坝趾的应力对坝基弹模的敏感度随λ的减小而增大。说明当坝基弹模趋向于大于坝体弹模时，不断提高坝基弹模优化坝基条件对坝趾应力的改善效果越显著。但坝踵处的铅直向应力会趋向于拉应力，并随坝基弹模的增大而增大，对坝体安全度不利。

3.3 施工纵缝缝面位移和应力

为明确坝基弹模对RFC重力坝施工纵缝的工作性能的影响，本文对该坝防渗层施工纵缝的缝面位移和缝面应力进行了研究。纵缝上、下游侧的位移情况相同，具体如图4所示。可见纵缝上的位移与坝基弹模成负相关，坝基越软，缝面变形越大。纵缝顶端、折坡点以及底端的变形对坝基变化的敏感程度相当，敏感度随着坝体与坝基弹模比变化而变化。

图4 纵缝上游侧位移情况

坝体防渗层施工纵缝缝面上的主应力随坝基弹模的变化情况如图5所示。正为拉应力，负为压应力。可以看出，施工纵缝顶端和折坡处的主应力对坝基弹模的变化并不敏感，基本不受坝基弹模的影响，纵缝底端的主应力对坝基弹模变化比较敏感。缝面第一主应力与坝基弹模成正相关，坝基弹模越小，第一主应力越小。根据经验，重力坝的纵缝只要缝面出现拉应力就可能张裂[20]。可见，坝基弹模越小，对改善纵缝性能越有利。纵缝上游侧第三主应力较大并与坝基弹模成负相关，坝基弹模越小，第三主应力越大。第三主应力大致随λ线性变化，说明缝面第三主应力对坝基的敏感程度基本不受坝体与坝基弹模比的影响。综上，坝基弹模的下降虽可减少纵缝缝面的拉应力，降低纵缝的拉裂风险，但会使其上游侧的压应力增大。一旦上游侧的压应力超过其材料的极限抗压强度就会发生破坏。

图5 纵缝缝面主应力情况

4 结论

本文通过研究某带施工纵缝工作的RFC重力坝的位移和应力对其坝基弹模变化的敏感性，分析得出以下结论：

(1)坝体上、下游面的变形、施工纵缝上的变形与坝基弹模负相关，位移对坝基弹模的敏感度随坝体与坝基弹模差异的增大而增大。

(2)坝体折坡点以上竖直结构的应力基本不受坝基弹模的影响，坝踵区、坝趾区应力对坝基弹模变化十分敏感。对于带施工纵缝的中低RFC重力坝而言，坝体与坝基弹模比在1.25～1.5时，坝体变形和应力相对处于最优水平。

(3)起坡点以上防渗层施工纵缝竖直部位的应力对坝基弹模不敏感，施工纵缝底端的应力对坝基弹模变化敏感。缝底主拉应力与坝基弹模成正相关，主压应力与坝基弹模成负相关。减小坝基弹模会降低纵缝被拉裂的风险，同时也会增大纵缝被压坏的风险。对于带纵缝工作的RFC重力坝而言，其坝基弹模理应存在一个安全区间，既能保证纵缝的工作性能也能保证大坝的安全度。