周晓玉

(凌源市水务局， 辽宁 朝阳 122500)

1 工程背景

关门山水库是一座以防洪和供水为主，兼有养殖和旅游等诸多功能的中型水库。水库坝址以上控制流域面积176.77 km2，正常蓄水位172.0m，总库容7 661万m3，设计洪水标准100年一遇，校核洪水标准2000年一遇。水库主要建筑物包括大坝、河岸式溢洪道、泄洪输水洞等，工程等别为Ⅲ等，永久性水工建筑物级别为3级。其中，水库大坝为混凝土面板堆石坝坝型设计，大坝坝顶高程321m，宽度10m，坝轴线长度354.5m，最大坝高68m。大坝上游坝坡坡度为1∶1.4，下游坝坡第一级坡度为1∶1.4，其余各级坡度为1∶1.3，在下游坝坡布置由宽度为10m的8层上坝道路。坝体分为上游铺盖区、盖重区、垫层区、过渡区、上游堆石区、下游堆石区、下游护坡和混凝土面板。坝基岩性以中厚层变质砂岩为主，局部夹中薄层砂质板岩，各项力学指标满足坝基要求。混凝土面板施工安排在5—6月进行，其最大施工长度为121.5m。

混凝土面板是面板堆石坝的坝体防渗结构，属于一块长条形的薄板，抗拉强度明显偏低，极易产生裂缝[1]。在施工初期，由于面板内部的温度急剧上升，并发生热膨胀变形，后期随着水化反应产生的热量不断减少，面板温度逐步降低并发生收缩变形，如果收缩力大于面板混凝土的抗拉极限，就会产生裂缝[2]。相关研究和工程实践显示，温度应力是混凝土面板早期裂缝产生的根本原因[3]。因此，展开温度裂缝内在机理和防控措施研究具有重要的理论意义和实践价值。基于此，本次研究以关门山水库混凝土面板堆石坝为例，以数值模拟的方式对面板防裂措施进行对比研究，以便为工程设计和施工提供必要的支持和借鉴。

2 面板防裂方案设计

根据相关研究和工程经验，混凝土面板堆石坝面板开裂主要集中在面板浇筑的初期，主要原因是温度和干缩产生的应力[4]。因此，在减少混凝土面板开裂，提高面板安全性方面，主要采取保温、配筋和垫层措施[5]。结合关门山水库大坝的工程实际，并充分考虑工程的经济性，初步提出如下3种开裂防控方案。

方案1：大坝混凝土面板的施工时间为5—6月，混凝土的浇筑温度为6 ℃，采用厚度为8 cm的聚乙烯泡沫塑料保温板，混凝土面板不采用配筋措施，减少与垫层的约束，同时浇筑施工分2次进行。

方案2：大坝混凝土面板的施工时间为5—6月，混凝土的浇筑温度为6 ℃，采用厚度为8 cm的聚乙烯泡沫塑料保温板，混凝土面板不采用配筋措施，条件微膨胀剂，减少与垫层的约束，浇筑施工1次进行。

方案3：大坝混凝土面板的施工时间为5—6月，混凝土的浇筑温度为10 ℃，采用厚度为8 cm的聚乙烯泡沫塑料保温板，混凝土面板不采用配筋措施，条件微膨胀剂，减少与垫层的约束，浇筑施工1次进行。

3 有限元计算模型

3.1 模型的构建

在有限元模型的构建过程中，根据关门山水库大坝的横剖面，有限元模型取其中某块面板的整个剖面，厚度为沿大坝坝轴线方向延伸12m，地基的计算范围为上游和下游方向分别延伸1倍坝高，为80m，沿地基深度方向也延伸1倍坝高，为80m。

计算模型的坐标原点在坝体横破面的中轴线部位，以顺河向指向下游的方向为X轴正方向，以坝轴线方向指向右岸的方向为Y轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向。

模型的温度场边界条件为基岩4个侧面以及坝体Y轴2个侧面设置为绝热边界，基岩的上表面、混凝土面板以及坝体的下游面为第三类边界条件[6]；对坝基底面为全位移约束，侧面为简支约束条件，其余边界为自由边界条件[7]。对构建的模型采用DC3D8单元进行网格划分，共获得5459个计算单元，6763个网格节点。模型的有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

3.2 模型材料参数

在有限元模拟计算过程中，模型材料的参数对计算结果存在显著影响。在此次研究中，结合相关工程规范中的规定和背景工程的实际，采用的模型材料参数[8]见表1。

表1 模型材料参数

4 计算结果与分析

4.1 方案1计算结果与分析

利用构建的有限元计算模型，对方案1条件下混凝土面板施工期的应力分布进行模拟计算。从计算结果中提取主要时间节点的坝坡向应力和第一主应力值的最大值，结果见表2。由表2中的结果可以看出，在混凝土面板的施工期，坝坡向应力的最大值呈现出先减小、后增大、最后趋于稳定的变化特点，稳定后的坝坡向应力最大值为1.08MPa左右；混凝土面板的第一主应力呈现出先缓慢增加、后迅速增加、最终趋于平稳的变化特点，稳定后的第一主应力最大值约为1.09MPa。从坝坡向应力和第一主应力最大值的计算结果来看，在施工过程中各个节点的最大值均小于面板混凝土材料的允许抗拉强度，最终差值为0.8MPa左右。考虑到施工中叠加寒潮以及面板混凝土浇筑过程中温升因素造成的约0.75MPa的应力增量，仍可以保证施工过程中的应力值小于允许值，基本可以避免面板混凝土施工中的裂缝出现。

表2 方案1应力最大值计算结果

4.2 方案2计算结果与分析

利用构建的有限元计算模型，对方案2条件下混凝土面板施工期的应力分布进行模拟计算。从计算结果中提取主要时间节点的坝坡向应力和第一主应力值的最大值，结果见表3。由表3中的结果可以看出，在混凝土面板的施工期，坝坡向应力的最大值呈现出先减小、后增大、最后趋于稳定的变化特点，稳定后的坝坡向应力最大值为0.82MPa左右；混凝土面板的第一主应力呈现出先波动变小、后缓慢增大、最终趋于稳定的变化特点，稳定后的第一主应力最大值约为0.73MPa。从坝坡向应力和第一主应力最大值的计算结果来看，在施工过程中各个节点的最大值均小于面板混凝土材料的允许抗拉强度，最终差值为1.0MPa左右。考虑到施工中叠加寒潮以及面板混凝土浇筑过程中温升因素造成的约0.75MPa的应力增量，仍可以保证施工过程中的应力值小于允许值，且存在一定的冗余，可以避免面板混凝土施工中的裂缝出现。

表3 方案2应力最大值计算结果

4.3 方案3计算结果与分析

利用构建的有限元计算模型，对方案3条件下混凝土面板施工期的应力分布进行模拟计算。从计算结果中提取主要时间节点的坝坡向应力和第一主应力值的最大值，结果见表4。由表4中的结果可以看出，在混凝土面板的施工期，坝坡向应力的最大值呈现出先减小、后增大、最后趋于稳定的变化特点，稳定后的坝坡向应力最大值为1.21MPa左右；混凝土面板的第一主应力也呈现出类似的变化特点，稳定后的第一主应力最大值约为1.22MPa。从坝坡向应力和第一主应力最大值的计算结果来看，在施工过程中各个节点的最大值均小于面板混凝土材料的允许抗拉强度，最终差值为0.6MPa左右。考虑到施工中叠加寒潮以及面板混凝土浇筑过程中温升因素造成的约0.75MPa的应力增量，施工过程中可能出现混凝土面板应力值略大与混凝土材料抗拉允许值的情况，不利于施工过程中面板裂缝的控制。

表4 方案3应力最大值计算结果

5 结论

此次研究以关门山水库大坝为例，利用数值模拟的方式对大坝混凝土面板裂缝防控方案进行对比分析，并得出如下主要结论：

(1)方案1和方案2均可以保证施工过程中混凝土面板应力值小于混凝土材料的抗拉允许值，可以避免面板混凝土施工中的裂缝出现。

(2)方案3施工过程中可能出现混凝土面板应力值略大与混凝土材料抗拉允许值的情况，不利于施工过程中面板裂缝的控制。

(3)方案1和方案2相比，方案2的应力值计算结果较小，更有利于施工过程中的裂缝防控，建议在工程设计中选用。