蔡黎明，孙琰

浅谈对碾压混凝土重力坝失稳破坏机理的认识

蔡黎明1，孙琰2

（1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；2.山东省临沂市水利勘测设计院，山东 临沂 276037）

根据碾压混凝土筑坝技术的特点，研究了碾压混凝土重力坝失稳破坏机理的现状，并综述了碾压混凝土重力坝失稳破坏机理研究中存在的主要问题，提出了一些看法，最后总结了碾压混凝土重力坝失稳破坏机理研究中的一些重要结论。

碾压混凝土；重力坝；失稳破坏机理；剪切屈服区

碾压混凝土重力坝采用干贫混凝土、分块分层连续浇筑、在面层上进行振动碾压的施工方法[1]，具有仓面大、效率高、节约水泥、便于温控等优点，广泛应用于工程建设中。中国碾压混凝土坝建设年代分布情况，如图1所示。中国碾压混凝土坝坝型分布情况，如图2所示。由图1、图2可知，碾压混凝土坝近些年得到了快速发展。碾压混凝土筑坝技术具有一般混凝土坝的可靠性和土石坝的快速施工等特点。

图1 中国碾压混凝土坝建设年代分布情况

图2 中国碾压混凝土坝坝型分布情况

1 碾压混凝土重力坝失稳破坏机理研究现状

碾压混凝土重力坝（RCCD）具有费用低、施工快速等优点，近些年发展较快，有全面代替一般混凝土坝的可能性，但是，RCCD面层的较低抗剪强度限制了碾压混凝土坝向高坝的发展趋势。对RCCD坝体抗滑稳定进行分析时，以刚体极限平衡分析法为主，该方法存在着与实际情况不一致的重要假定，即滑动面上任意点同步达到极限状态。有学者对一般混凝土重力坝沿基处面和基岩软弱面层滑动的破坏机理等进行了较多研究[2]，目前还没有取得比较一致的认识，且RCCD沿层面的稳定性问题研究也不深入。

段亚辉等人采用弹塑性有限元法对RCCD层面的破坏机理及过程进行分析，指出RCCD沿坝基的失稳破坏是坝址剪切应力区不断向上游发展引起的[3]；李雪峰等人采用非线性有限元法，对碾压混凝土重力坝的应力分布进行了分析计算，指出碾压混凝土重力坝失稳破坏机理不应忽略碾压混凝土层面的影响[4]；赖国伟等人采用弹塑性有限元和不等比例降材料强度参数法，对碾压混凝土高坝的破坏过程、机理和极限承载力进行了研究分析[5]；黄志强等人在碾压混凝土的多相不均匀结构特点的基础上，利用材料破坏全过程的分析软件系统MFPA对高碾压混凝土重力坝进行了全面分析，结果表明，裂缝扩展的第二阶段为破坏过程的关键阶段[6]。

2 当前存在的主要问题

对碾压混凝土重力坝失稳破坏机理的研究，一般学者都是针对碾压混凝土坝的应力分布和稳定性进行分析计算，取得一些研究成果。但针对一些可能影响因素，诸如施工工艺与温控、残余应力与峰值强度比值变化等没有考虑到。

坝体沿碾压混凝土层面的失稳破坏和在坝基面的失稳破坏有很大的不同。在坝体上游面不存在拉裂区域；坝体碾压混凝土层面上的点安全系数分布和坝基面相比较为均匀，安全系数最小值大于刚体极限平衡法抗剪断公式计算的安全系数比值，并且残余强度远小于峰值强度之比，因此局部剪切屈服区出现后会迅速发展到整个层面，会使坝体沿层面迅速失稳破坏，属于“脆性”破坏。此外，坝体沿碾压混凝土层面失稳的“脆性”破坏与层面残余强度与峰值强度的比值有较大关联性。

对于碾压混凝土重力坝中的低坝，坝体受到较小的水压力，沿层面的抗滑稳定问题没有引起较多关注。但对于碾压混凝土坝中的高坝，层面的破坏问题异常突出。中国碾压混凝土坝按坝高分布情况如图3所示。

图3 中国碾压混凝土坝按坝高分布情况

由图3可知，碾压混凝土坝在200 m以上高坝中的应用较少。层面的破坏问题成为影响碾压混凝土坝向更高方向发展的关键[7]。利用抗滑稳定可靠度、有限元模型、断裂力学模型对碾压混凝土坝层面研究较多，而采用强度储备系数法结合弹塑性有限元法对碾压混凝土坝层面稳定进行研究分析较少。比如，考虑碾压混凝土坝的结构和施工工艺等特征，分析可能造成层面失稳破坏的因素对碾压混凝土坝层面破坏的关联度研究，最后对碾压混凝土坝失稳破坏过程、机理和极限承载力进行研究分析。

3 一些研究思路

在研究碾压混凝土重力坝失稳破坏机理时，是否可以将施工过程与温度应力、残余应力与峰值强度的比值变化、施工方式等因素考虑进去。通过数理统计、数值模拟等分析方法将影响碾压混凝土重力坝失稳破坏机理的可能影响因素进行分析。

通过对碾压混凝土重力坝失稳破坏的影响因素的多角度研究，可以探索出坝体沿碾压混凝土层面失稳的“脆性”现象的原因。以此为依托，研究应对“脆性”现象的措施与改善方法。

是否可以将强度储备系数法与弹塑性有限元法有机结合来研究碾压混凝土坝的稳定性，进一步深入研究碾压混凝土重力坝失稳破坏机理。

4 结论

碾压混凝土坝坝体顺着坝基面失稳破坏，大多是由始于坝址并顺着坝基面向上游发展的剪切屈服区造成的。虽然坝踵也存在拉裂区，但不会引起坝体的失稳破坏。混凝土和碾压混凝土坝体本身有较高的强度，不存在剪切屈服区。碾压混凝土坝坝体顺着碾压混凝土层面的失稳破坏，在残余应力很小时，属于“脆性”破坏，增大下游面坝体区域层面的抗剪强度值，对改善沿层面的可靠度很有效。层面上的应力和点安全系数分布极不对称，且随着高程的变化而变化。层面施工时间间隔以及层面处理方法是影响层面抗剪强度的重要影响因素，对于碾压混凝土重力坝的失稳破坏具有直接关联性。碾压混凝土重力坝失稳破坏机理值得不断探讨与深入研究。

［1］张志.中国碾压混凝土筑坝实例［M］.北京：电子工业出版社，1990.

［2］赖国伟，王宏硕，陆述远.具有软弱结构面坝基的稳定分析［J］.武汉水利电力学院学报，1987（4）：1-10.

［3］段亚辉，赖国伟.碾压混凝土重力坝失稳破坏机理的初步分析［J］.水利学报，1995（5）：55-59.

［4］李雪峰，王俊奇.碾压混凝土重力坝失稳破坏机理研究［J］.红水河，1997（3）：33-37.

［5］赖国伟，陈述远，常晓林，等.高碾压混凝土重力坝的失稳破坏机理和极限承载能力分析［J］.水力发电，2000（12）：17-20，68.

［6］黄志强，沈新普，唐康安.高碾压砼重力坝层面失稳破坏的模拟分析［J］.沈阳工业大学学报，2008，30（5）：592-594.

［7］牛景太.高碾压混凝土坝层面稳定分析方法研究［J］.广西水利水电，2012（5）：12-16.

TV642.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.029

2095－6835（2020）01－0084－02

蔡黎明（1988—），男，安徽萧县人，硕士，工程师，研究方向为水工结构。

〔编辑：严丽琴〕