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摘要：混凝土面板堆石坝在水利工程中得到广泛应用，笔者在本文中对面板应力的分布情况及产生挤压的原因做了分析，并用接触力学方法模拟了堆石体与混凝土面板间的接触丙烯，并利用假设应变单元，消除了由于弯曲变形而导致的面板单元剪切自锁，降低了面板的挠度及应力数值计算误差。文章结合实例对上述问题进行了分析。
关键词：面板堆石坝;应力分布;挤压;措施
面板堆石坝大多可就地取材，利用工程开挖石料作为堆石料，降低了工程的投资，是一种比较经济和安全的坝型。但是随着其应用的增加，也出现了不少的问题，比如堆石坝面板发生开裂，对大坝表面的防护体系造成了严重的影响，出现堆石体不均匀下降、抗剪能力下降等问题[1]。本文结合某已建面板堆石坝，分析了面板结构抗裂仿真分析。
一、工程概况
我县某中型水库工程坝顶高程为1284.6m，坝顶宽度8m，最大坝高为82.6m，上游、下游坝坡均为1：1.4。坝体填筑分5个区域，分别为主堆石区、次堆石区、下游堆石区和垫层区，堆石料源为石料场开采及建筑物开挖料。趾板为0.5m的等厚趾板，宽度分为4 m、5m、6m，面板厚度0.3～0.56m，趾板与面板砼标号C25，抗渗标号W8，抗冻标号F100。根据既定方案，工程期限为2年，为最大限度节省工期，大坝堆石体的填筑为一次完成。为了按时完整进度，需要遵循安全渡汛及确保填筑质量为原则，坝体填筑完成并间隙一个月后方开始浇筑混凝土面板。
该流域年平均气温7℃～16℃，1月份气温2℃～5℃，7月份气温23℃～29℃，极端最高、最低气温分别为 37.4℃、-9.8℃。流域内的湿度平均为78%～82%，其中10～12月份的湿度最高，在80%～84%之间。
二、应力分布计算方法及条件
采用接触力学分析方法，对面板与堆石体自检的接触特性进行模拟，其中，面板为独立可变性接触体，可承受一定的弯矩作用，在描述弯曲时，可能出现较大的误差，因此采用架设应变方法消除，且无剪应变，计算式如下[2]：
式中，Ke为一点积分刚度，Kestab为秩2的稳定刚度。
在本文中，笔者主要是分析各种因素对面板盈利的影响及工程措施的作用，因此描述堆石体采用邓肯E-B模型。参数见表1。
表1 E-B材料参数值表
名称
Pd（g/m?）
K
n
Rf
Kb
m
主堆石
2.15
1100
0.34
0.82
600
0.20
次堆石
2.15
860
0.34
0.80
500
0.10
下游堆石
2.15
1200
0.34
0.81
600
0.20
垫层料
2.18
1200
0.44
0.80
650
0.20
混凝土浇筑，自面板前趾板开始，采用滑模法，速度为3m/h，不间断浇筑。混凝土浇筑与入仓温度相同，详见图2。
图2 混凝土面板绝热温升图
经计算，对面板挠度与应力影响最大的因素为堆石上游的变形差，比前期堆石网格变形程度放大了25倍。由于面板上部的面板会产生比较大的挠度变化，提示该处面板上表面可产生一定的拉应力。而计算结果显示，该处的拉应力，最大值为2MPa[3]。因此，堆石填筑时，在堆石层数不断增加的情况下，面板表面张力会逐渐增加，二层填筑时的拉应力为1MPa。
在完成堆石填筑后，间隔30d进行面板浇筑，结果显示，变形差仅为-0.1m。，未产生较大的应力与弯曲变形，拉应力为0.4MPa。
由于本工程年内大气湿度较大，旱季长期不降雨时，可造成面板产生较大干缩应力：3d不下雨，拉应力为0.2MPa;7d内不降雨，拉应力可达0.5MPa;连续30d无降雨，表面拉应力为1.4MPa。由此可知，混凝土干缩影响程度虽然很小，但是表面拉力比较大。经分析，该工程弯曲应力场、温度应力场近似“/”型分布，增加了面板开裂的可能性。
三、抗挤压破坏的措施
面板如果发生开裂，则处理需要投入大量的人力物力，且处理的效果也可能不理想，所以需要根据面板开裂产生的机理，制定有效的对策，改善面板应力分布，减少面板发生裂缝的几率。
应力数值计算结果、面板挠度变形结果说明，在受拉区域内，面板集中在上部，所以可适当降低面板上升的高度，改善面板应力状况[4]。面板最大拉应力下降，将原计划的应力值3.8MPa降至2.8MPa。
利用增大面板与堆石体高程差的方法，解决面板拉应力的效果仍旧不理想，而且又要考虑工期，所以可将面板的浇筑时间尽量往后推迟，以降低面板的应力[5]。由计算结果可知，如果工程的工期等施工条件许可，可通过推迟浇筑面板的方式消除面板的拉应力。
经验表明，面板表面具有3cm的聚氨酯保温板，则在遭遇寒潮期时，面板混凝土内外温差的不超过2℃，而在寒潮期间，面板表面沿坡坝方向的拉应力值仅仅为0.2MPa。同时，为了保证面板的保温保湿效果，当面板表面存在1mm厚的聚氨酯时，则可控制超过90%以上混凝土的湿度，也就大幅降低了面板表面的干缩应力。
结语：
笔者在本文中，结合某工程实际，对面板应力分布情况及产生应力的原因进行了系统的分析。在分析中，利用了接触力学分析方法，以及假设应力单元，从而使得面板挠度与弯曲应力计算结果的可信度增加。根据湿度、变形及温度的结果，得出遭遇寒潮后的温度、湿度应力场分布趋势相似，两者叠加后，面板易出现裂缝。为了降低面板裂缝的发生率，提高其耐久性，主要的工程措施为优化施工方案、推迟工期和采取有效的保温保湿措施等。实际应用表明，这些工程措施的效果理想，值得在类似工程中推广应用。
参考文献：
[1]程嵩，张嘎，侯文峻等.有挤压墙面板堆石坝的面板温度应力分析及改善措施研究[J].工程力学，2011，04：76-81.
[2]孔宪京，周扬，邹德高，徐斌.高面板堆石坝面板应力分析及抗挤压破坏措施[J].水力发电学报，2011，06：153-158+257.
[3]孔宪京，周扬，邹德高等.高面板堆石坝面板应力分析及抗挤压破坏措施[J].中国水力发：，2011，12：145-146.
[4]万里，罗永祥，范建朋等.马来西亚巴贡混凝土面板堆石坝面板抗挤压破坏措施探讨[J].西北水电，2007，04：37-39+48.
[5]沈婷，李国英.超高面板堆石坝混凝土面板应力状态影响因素分析[J].岩土工程学报，2010，09：1345-1349.
关键词：面板堆石坝;应力分布;挤压;措施
面板堆石坝大多可就地取材，利用工程开挖石料作为堆石料，降低了工程的投资，是一种比较经济和安全的坝型。但是随着其应用的增加，也出现了不少的问题，比如堆石坝面板发生开裂，对大坝表面的防护体系造成了严重的影响，出现堆石体不均匀下降、抗剪能力下降等问题[1]。本文结合某已建面板堆石坝，分析了面板结构抗裂仿真分析。
一、工程概况
我县某中型水库工程坝顶高程为1284.6m，坝顶宽度8m，最大坝高为82.6m，上游、下游坝坡均为1：1.4。坝体填筑分5个区域，分别为主堆石区、次堆石区、下游堆石区和垫层区，堆石料源为石料场开采及建筑物开挖料。趾板为0.5m的等厚趾板，宽度分为4 m、5m、6m，面板厚度0.3～0.56m，趾板与面板砼标号C25，抗渗标号W8，抗冻标号F100。根据既定方案，工程期限为2年，为最大限度节省工期，大坝堆石体的填筑为一次完成。为了按时完整进度，需要遵循安全渡汛及确保填筑质量为原则，坝体填筑完成并间隙一个月后方开始浇筑混凝土面板。
该流域年平均气温7℃～16℃，1月份气温2℃～5℃，7月份气温23℃～29℃，极端最高、最低气温分别为 37.4℃、-9.8℃。流域内的湿度平均为78%～82%，其中10～12月份的湿度最高，在80%～84%之间。
二、应力分布计算方法及条件
采用接触力学分析方法，对面板与堆石体自检的接触特性进行模拟，其中，面板为独立可变性接触体，可承受一定的弯矩作用，在描述弯曲时，可能出现较大的误差，因此采用架设应变方法消除，且无剪应变，计算式如下[2]：
式中，Ke为一点积分刚度，Kestab为秩2的稳定刚度。
在本文中，笔者主要是分析各种因素对面板盈利的影响及工程措施的作用，因此描述堆石体采用邓肯E-B模型。参数见表1。
表1 E-B材料参数值表
名称
Pd（g/m?）
K
n
Rf
Kb
m
主堆石
2.15
1100
0.34
0.82
600
0.20
次堆石
2.15
860
0.34
0.80
500
0.10
下游堆石
2.15
1200
0.34
0.81
600
0.20
垫层料
2.18
1200
0.44
0.80
650
0.20
混凝土浇筑，自面板前趾板开始，采用滑模法，速度为3m/h，不间断浇筑。混凝土浇筑与入仓温度相同，详见图2。
图2 混凝土面板绝热温升图
经计算，对面板挠度与应力影响最大的因素为堆石上游的变形差，比前期堆石网格变形程度放大了25倍。由于面板上部的面板会产生比较大的挠度变化，提示该处面板上表面可产生一定的拉应力。而计算结果显示，该处的拉应力，最大值为2MPa[3]。因此，堆石填筑时，在堆石层数不断增加的情况下，面板表面张力会逐渐增加，二层填筑时的拉应力为1MPa。
在完成堆石填筑后，间隔30d进行面板浇筑，结果显示，变形差仅为-0.1m。，未产生较大的应力与弯曲变形，拉应力为0.4MPa。
由于本工程年内大气湿度较大，旱季长期不降雨时，可造成面板产生较大干缩应力：3d不下雨，拉应力为0.2MPa;7d内不降雨，拉应力可达0.5MPa;连续30d无降雨，表面拉应力为1.4MPa。由此可知，混凝土干缩影响程度虽然很小，但是表面拉力比较大。经分析，该工程弯曲应力场、温度应力场近似“/”型分布，增加了面板开裂的可能性。
三、抗挤压破坏的措施
面板如果发生开裂，则处理需要投入大量的人力物力，且处理的效果也可能不理想，所以需要根据面板开裂产生的机理，制定有效的对策，改善面板应力分布，减少面板发生裂缝的几率。
- 优化施工方案
应力数值计算结果、面板挠度变形结果说明，在受拉区域内，面板集中在上部，所以可适当降低面板上升的高度，改善面板应力状况[4]。面板最大拉应力下降，将原计划的应力值3.8MPa降至2.8MPa。
- 推迟方案
利用增大面板与堆石体高程差的方法，解决面板拉应力的效果仍旧不理想，而且又要考虑工期，所以可将面板的浇筑时间尽量往后推迟，以降低面板的应力[5]。由计算结果可知，如果工程的工期等施工条件许可，可通过推迟浇筑面板的方式消除面板的拉应力。
- 保温板的保温保湿措施
经验表明，面板表面具有3cm的聚氨酯保温板，则在遭遇寒潮期时，面板混凝土内外温差的不超过2℃，而在寒潮期间，面板表面沿坡坝方向的拉应力值仅仅为0.2MPa。同时，为了保证面板的保温保湿效果，当面板表面存在1mm厚的聚氨酯时，则可控制超过90%以上混凝土的湿度，也就大幅降低了面板表面的干缩应力。
结语：
笔者在本文中，结合某工程实际，对面板应力分布情况及产生应力的原因进行了系统的分析。在分析中，利用了接触力学分析方法，以及假设应力单元，从而使得面板挠度与弯曲应力计算结果的可信度增加。根据湿度、变形及温度的结果，得出遭遇寒潮后的温度、湿度应力场分布趋势相似，两者叠加后，面板易出现裂缝。为了降低面板裂缝的发生率，提高其耐久性，主要的工程措施为优化施工方案、推迟工期和采取有效的保温保湿措施等。实际应用表明，这些工程措施的效果理想，值得在类似工程中推广应用。
参考文献：
[1]程嵩，张嘎，侯文峻等.有挤压墙面板堆石坝的面板温度应力分析及改善措施研究[J].工程力学，2011，04：76-81.
[2]孔宪京，周扬，邹德高，徐斌.高面板堆石坝面板应力分析及抗挤压破坏措施[J].水力发电学报，2011，06：153-158+257.
[3]孔宪京，周扬，邹德高等.高面板堆石坝面板应力分析及抗挤压破坏措施[J].中国水力发：，2011，12：145-146.
[4]万里，罗永祥，范建朋等.马来西亚巴贡混凝土面板堆石坝面板抗挤压破坏措施探讨[J].西北水电，2007，04：37-39+48.
[5]沈婷，李国英.超高面板堆石坝混凝土面板应力状态影响因素分析[J].岩土工程学报，2010，09：1345-1349.