龙洞槽砌石拱坝加固方案三维有限元分析

何奇滨，谭茶生，唐欣薇

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640)

龙洞槽砌石拱坝加固方案三维有限元分析

何奇滨，谭茶生，唐欣薇

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640)

针对龙洞槽砌石拱坝除险加固工程，基于三维有限元法，对比分析了坝体上游侧、下游侧培厚加固方案在基本荷载组合与特殊荷载组合作用下的应力和位移，包括三种典型的粘结工况及配筋工况，并确定合适的加固方案与工程措施。结果表明：基本荷载组合是上游测、下游侧加固方案的控制荷载组合，需在冬季对拱坝采取适当的保温措施，以减少温度降低对拱坝坝体应力变形的影响； 两种加固方案均满足规范应力要求，但是上游加固方案在加固效果、施工便捷等方面更具优越性； 新老坝体粘结效果对拱坝应力位移具有较大影响； 在坝体中上部布设径向配筋，有助于减弱新老坝体粘结强度不足对坝体应力应变的影响。

砌石拱坝；除险加固；加固方案；数值仿真；应力位移

20世纪50—80年代，我国修建许多浆砌石拱坝。由于历史原因导致的施工技术质量较差，至今运行多年，这批拱坝已出现不同程度的病害，急需对其进行加固除险。学者们在砌石拱坝加固除险方面开展了不少的研究工作：包括除险加固方案的比选[1-2]、多种加固措施的综合应用[3-4]、以混凝土材料对浆砌石拱坝加高加固后温度应力参数敏感性分析[5]、充填灌浆的防渗处理[6-7]、坝体加厚后结合面的工作性态分析[8-9]、培厚位置[10-11]、培厚工艺[12]对加固效果的影响等研究工作。除险加固工作需要针对具体的拱坝开展，方能对症下药。据此，本文开展针对龙洞槽砌石拱坝加固除险的研究工作。

龙洞槽水库位于清水河的一级支流马路河的支流上，水库大坝为浆砌石单圆心单曲圆弧拱坝，拱冠坝顶宽1.8 m，坝底宽3.50 m，最大坝高21.40 m，拱坝上游面半径为42.00 m，顶拱中心角为86.61°。

龙洞槽水库于1986年11月1日开始投入运行。按照现行规范要求，对龙洞槽拱坝进行应力复核，发现坝体应力已超出控制标准，需对其进行加固处理，以确保拱坝安全运行。作为拱坝除险加固中经常采用的措施，坝体加厚方法可有效降低坝体应力，增强坝体的稳定性。然而，加厚位置[10-11]、新老坝体粘结形式等因素将对坝体加固效果产生较大影响。

本文以龙洞槽砌石拱坝工程为依托，基于ABAQUS软件对采用上游面、下游面等厚加固的两种方案进行三维有限元仿真计算，考虑新老坝体不同粘结作用的影响，分析不同加固方案下的坝体应力的分布规律，提出合理的加固方案与施工措施，为工程设计提供重要参考。

1 本构模型

为实现本文的数值仿真计算，需要定义坝体浆砌石、岩石地基、钢筋、新老浆砌石接触行为的本构模型。

浆砌石、岩石、钢筋分别采用线弹性的连续壳体单元(SC8R、SC6R)、块体单元(C3D8)、三维桁架单元(T3D2)。同时，基于ABAQUS程序中的“embedded”技术[13]，通过位移约束条件限制钢筋、浆砌石变形协调，将钢筋单元嵌入至浆砌石单元中，以实现钢筋对坝体结构的作用。

为了描述交界面的粘结行为，本文在新老浆砌石面之间设置粘结单元，其本构模型见图1。其中，OB段为交界面开裂前的线弹性段，Bδc段为开裂后的刚度线性降低软化阶段。

图1 双线性本构模型

本构方程定义为：

σ=Eoδ(开裂前)

(1)

(2)

式中:Eo为粘结单元的初始弹性模量；δpl=δc-δo，为从发生开裂到完全开裂期间累积的位移；σo为产生开裂的应力峰值。

采用式(3)最大名义应力法则作为交界面的开裂准则。

(3)

f(v)=fcsgn(v)

(4)

fc=μ|fn|

(5)

式中：f(ν)为摩擦力；ν为相对滑动速度；fc为库仑摩擦力；μ为摩擦系数；fn为法向力；sgn( )为符号函数。

2 加固方案的数值仿真

2.1 有限元模型构建

2.1.1 上游加固

沿拱坝上游面均匀加厚2 m，模型共计66 370个单元。其中，加固后坝体单元如图2所示。岩基边界节点处施加x、y、z三向约束。考虑如下工况：

(1) 理想粘结：新旧坝体之间不考虑交界面，接触部分共用节点。

图2 沿上游面加固

(3) 无粘结：新老坝体之间的接触面定义为硬接触，采用库仑摩擦模型，其中μ=0.7。

(4) 无粘结，径向配筋：在(3)的基础上引入径向配筋，考虑仅在坝体中上部、两侧拱肩、同时在以上两个部位配置钢筋，见图3。

图3 径向配筋位置

2.1.2 下游加固

沿拱坝下游面均匀加厚1.5 m，模型共计63 755个单元。其中，加固后坝体单元如图4所示。岩基边界节点处施加x、y、z三向约束。下游加固方案考虑理想粘结、粘结良好、无粘结三种情况。实现方式同2.1.1。

图4 沿下游面加固

2.2 材料参数与气温资料

浆砌石的重度取23 kN/m3、弹性模量取4.0 GPa[13]、泊松比取0.22、线膨胀系数取7×10-6；钢筋的重度取78.5 kN/m3、弹性模量取210 GPa、泊松比取0.30；岩石的重度取27 kN/m3、弹性模量取6.0 GPa、泊松比取0.31；水重度取9.81 kN/m3。一月份多年平均气温为3.3℃、七月份多年平均气温为23.4℃。

2.3 荷载及荷载组合

本模型考虑的荷载包括：静水压力、自重及温度荷载。由于龙洞槽砌石拱坝坝前淤沙高度仅为 1.92 m，泥沙压力可忽略不计。

参考规范[14-15]相关规定及实际工程情况，本文考虑以下两种典型荷载组合：

基本荷载组合：正常水位(1246.14 m)+尾水位(1226.07 m)+正常温降+自重；

特殊荷载组合：校核洪水位(1247.47 m)+尾水位(1226.07 m)+正常温升+自重。

3 计算与分析

不同加固方案的仿真计算结果见表1、图5、图6。通过对比分析，不难发现：

(1) 对比上游加固、下游加固两种方案，拱坝在基本荷载组合下的最大位移值、最大主拉应力值、最大主压应力值均比在特殊荷载组合下的数值大，可见，基本荷载组合可作为控制荷载组合。因而建议在冬季需对拱坝采取适当的保温措施，尤其是寒潮来袭引起的气温骤降，以减少温度降低对拱坝坝体应力变形的影响。

(2) 两种加固方案均满足规范应力要求，但上游加固方案比下游加固方案更为安全。龙洞槽水库为V等小(2)型工程，坝前淤沙较少，围堰、导流及清淤工程量不大，给上游侧培厚坝体提供了施工条件。同时，在坝体上游面施工，不影响坝肩下游面岩体，坝肩推力角偏向岩体，有利于坝肩稳定。因而，上游加固方案在加固效果、施工便捷等方面更具优越性。

(3) 新老坝体粘结效果对拱坝位移应力具有较大影响。理想粘结与良好粘结的最大主拉应力值十分相近且均低于1.0 MPa，而无粘结的最大拉应力值为1.26 MPa，明显偏高，接近规范的拉应力限值1.5 MPa。相似的规律也出现在最大位移与最大主压应力中。因此，本文建议加强施工管理，提高施工质量，保证新旧坝体交界面有较高的粘结强度。

(4)通过对比分析坝体的位移分布(见图5)与最大拉应力分布(见图6)，不难发现：仅在拱肩采用径向配筋时，加固效果并不明显。当在坝体中上部配筋时，坝体位移和应力均得到一定的改善，鉴于在上部及拱肩同时配筋未能显著提高加固作用，为节省工程投资，本文推荐在坝体中上部加以径向配筋，确保新老坝体的粘结效果。

表1 不同加固方案计算结果对比

图5 下游面位移分布(单位：cm)

图6 上游面最大拉应力分布(单位：MPa)

4 结 论

本文采用三维有限元软件ABAQUS对拱坝上游、下游等厚加固方案进行仿真分析，推荐龙洞槽拱坝采用坝体中上部配筋的上游加固方案。

建议加固施工期时，加强施工管理，提升施工质量，确保新老坝体接触面具有良好的粘结强度。同时，建议在坝体中上部布设径向配筋，进一步增强新老浆砌石接触面粘结作用，改善坝体应力分布。此外，考虑到温降对坝体应力具有较大影响，本文建议在冬季对拱坝采取增设聚苯乙烯保温板、喷涂硬泡聚氨酯、铺设聚乙烯保温被与保温棉被等保温措施。

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Three Dimensional Finite Element Analysis of the Reinforcement Project of Longdongcao Masonry Arch Dam

HE Qibin, TAN Chasheng, TANG Xinwei

(SouthChinaUniversityofTechnology,SchoolofCivilEngineeringandTransportation,Guangzhou,Guangdong510640,China)

In this paper the reinforcement project for Longdongcao masonry arch dam is simulated based on 3D finite element method. The stress and displacement distribution of thickening reinforced schemes on the upstream and downstream side under conditions of basic load combination and special load combination are compared and analyzed. In addition three typical bonding and reinforcement conditions are also considered, and the appropriate reinforcement program and engineering measures are obtained. The results show that: the basic load combination is the primary load combination in upstream and downstream reinforcement scheme, and thermal insulation measures should be taken for arch dam in the winter to reduce the influence of low temperature; two reinforcement projects meet stress requirements uniformly according to the standard, however, the project of thickening upstream face of arch dam has an advantage in strengthening effect, convenient construction and so on; the bonding results of the original and the thickened body exert an importance impact on the stress and displacement of arch dam, therefore we suggest to strengthen construction management and improve construction quality to enhance the bonding strength of the interface; reinforcing bars in the middle upper part of the arch dam is beneficial to reduce the influence of bonding strength insufficient of original and the thickened body, which is devastating for the stress and displacement of dam.

masonry arch dam; danger elimination and reinforcement; reinforcement scheme; numerical simulation; stress and displacement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.020

2017-02-01

2017-03-09

中央高校基本科研业务费资助项目(2014ZZ0009)

何奇滨(1994—)，男，广东茂名人，硕士研究生，研究方向为水工结构工程。E-mail：ctheqibin@mail.scut.edu.cn

唐欣薇(1980—)，女(满族)，辽宁抚顺人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事岩土工程和水工结构方面的教学与研究工作。 E-mail：cttangxw@scut.edu.cn

TV641.3+1

A

1672—1144(2017)03—0100—04