浅谈对新型混凝土的实验研究

1计算模型及参数

1.1计算模型

坝顶高程为960.00m，最大坝高为60m。混合坝计算以其为参考对象，并在此基础上进行优化计算，进一步与该坝的计算结果进行比较。拟定混合坝的截面尺寸如下:坝高H=60m，墙顶宽度t1=1m，坡比m=0.2，支墩宽度w=2m，支墩间距s=20m，支墩长度l=40m，支墩高度h=30m。根据坝体的材料分区并考虑到大坝的施工顺序，对选定的计算断面进行单元剖分。混凝土墙是整个大坝的核心，也是研究的重点，因而此部分的单元划分较密，沿厚度方向共划分了5层单元，如图2所示。坝体共计7338个单元、9361个节点，单元类型为8节点六面体线性完全积分单元，即C3D8。该心墙坝网格图略。本文将对建在基岩上的相同坝高的两个坝型进行比较。

1.2计算参数

坝基也采用线弹性模型，弹性模量E=30GPa，泊松比ν=0.2，密度ρ=2.4g/cm3。计算中按照大坝实际的填筑及运行过程进行模拟，即首先连续填筑坝体至坝顶，然后蓄水，总共14个加载级。第1～10步模拟大坝连续填筑过程，其中，混凝土先于堆石填筑，从坝基面逐步上升至坝顶;第11～14步模拟水库水位逐渐上升至正常蓄水位的过程。

2计算结果分析

在竣工期混凝土墙主要受重力和墙后土压力的作用，蓄水后受到重力、上游水压力、坝底扬压力和墙后土压力的共同作用。混凝土墙的抗滑稳定和应力稳定安全控制标准暂时按重力坝设计规范执行，暂不考虑温度荷载的影响。混凝土墙受到的土压力分布所示，可以看出，由于模型的底部边界及侧边边界的约束作用，在混凝土墙的底部，土压力计算值与库伦土压力计算值之间存在一定的偏差。这种位移模式也就是通常所说的挡墙绕墙底端转动，即RB模式。在这种位移模式下，水平土压力分布呈明显的非线性，大致为底部压力不为零的抛物线分布，与王仕传等计算结果的刚性挡土墙背后主动土压力趋势类似，数值略小。蓄水后，由于支墩存在，承担了大部分的水压力，对土压力分布没有太大的影响。进一步计算可以得到，合力作用点位于墙底以上0.34H处，按库伦主动土压力理论，合力作用点应位于墙底以上0.33H处，有限元计算结果之所以大于库伦土压力的理论值，主要是因为边界条件造成混凝土墙底部土压力小于直线分布土压力值。该结果与陈页开的研究结果相符。在竣工时，墙体的弯矩从上到下逐渐增大，顶部增长较缓慢。墙体以受压弯为主，墙后土压力产生的弯矩使墙体上游面受压、下游面受拉，自身重力使墙体受压。计算结果显示，墙体受重力作用产生的压应力大于由土压力产生的拉应力，所以竣工期墙体不会出现拉应力。相应地，在蓄水期水压力起主要作用，使混凝土墙上游面受拉，最大拉应力为2MPa，出现在墙踵位置，略高于混凝土的抗拉强度，与重力坝类似。但有限元计算结果通常在墙踵处最大拉应力会略高于实测值，主要是由于墙踵角缘区的奇异性使有限元解答在此部位失真，但此范围很小。杨清平等用主拉应力相对宽度brl=b/B×100%来表示坝踵处主拉应力的分布(其中b为混凝土墙底主压应力宽度;B为混凝土墙底宽度)，利用此公式算得brl=12.5%，该结果与重力坝结果相近，说明混凝土墙的应力是在可接受范围之内的。同时，为了提高安全性，可以在混凝土墙内部布置适当的受拉钢筋，限制裂缝的发展。对于混合坝沿坝底地基面的抗滑稳定，可参考重力坝相关规范，本文采用抗剪强度公式K=f∑W∑P，得到竣工期Kc=1.7，蓄水期Kw=1.2，2个结果都大于容许抗滑稳定安全系数，所以混凝土墙满足抗滑稳定要求。

3结语

在竣工期，支墩受到墙背后主动土压力水平分力(即承受两相邻支墩的跨中至跨中长度与支墩高度h范围内及上部的土压力)、支墩和墙体自重以及土压力竖向分力的作用，支墩最大的竖向压力为2.3MPa。蓄水后增加的水压力也主要由支墩承担，竖向压力增加至5.4MPa。支墩可视为锚固在坝基上的“T”形变截面悬臂梁，墙面作为该“T”形梁的翼缘板，以受弯剪为主。土压力除了对支墩产生弯矩外，还会产生剪力。支墩受到的最大主拉应力(约3MPa)出现在蓄水期支墩与混凝土墙连接处很小的范围内，可以通过布置适当的受拉、剪钢筋解决。由于拉应力出现在下游部分，对渗流无较大影响。堆石体计算得到堆石在蓄水期的应力水平等值线所示，堆石体大部分区域的应力水平为0.3～0.5，最大值出现在堆石中上部，约为0.8。该心墙堆石坝应力水平计算结果如图7所示。可以看出:坝体内除心墙的部分区域应力水平达到0.8，大部分区域为0.4～0.6。对比可以看出，混合坝堆石体的应力水平略低于心墙坝。主要原因如下:(a)混凝土墙的影响，对于混合坝，墙体承担了部分的土压力，使最大主应力向下游移动，最大值位于堆石下游38m左右，而心墙堆石坝则位于坝轴线处。下游坡比不同，混合坝下游坡比和面板坝相似(为1∶1.5左右)，而心墙堆石坝的坡比往往取值较小，为1∶2左右。坝坡越缓，会导致坝体内部产生的应力越大。所以混合坝的应力水平更低，稳定性更好。心墙堆石坝由于坝体上游堆石、过渡层浸水减载作用，主应力减小，该区域应力水平较高;混合坝类似现象不明显。

作者：刘汗龙 单位：河海大学