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2025 , Vol. 42 >Issue 10: 144 - 150

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240762

水工结构与材料

沥青心墙堆石坝HECC复合坝基廊道结构应力变形分析

  • 龚亚琦 ,
  • 颉志强 ,
  • 李家正
展开
  • 长江科学院 材料与结构研究所,武汉 430010

龚亚琦(1980-),男,湖北黄陂人,正高级工程师,博士,研究方向为水工结构数值分析。E-mail:

收稿日期: 2024-07-18

  修回日期: 2025-03-11

  网络出版日期: 2025-04-22

基金资助

国家自然科学基金重点项目(52239009)

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF20241023/CL)

收起

Stress and Deformation Analysis of Gallery Structure in Hydraulic Engineered Cementitious Composite Foundation of Asphalt Core Rockfill Dam

  • GONG Ya-qi ,
  • XIE Zhi-qiang ,
  • LI Jia-zheng
Expand
  • Material and Structure Department, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China

Received date: 2024-07-18

  Revised date: 2025-03-11

  Online published: 2025-04-22

Fold

摘要

针对深厚覆盖层心墙堆石坝坝基廊道普遍存在的开裂渗漏问题,提出了一种新型水工超高韧性水泥基复合材料HECC(Hydraulic Engineered Cementitious Composites)复合坝基廊道结构,即在廊道应力变形较大位置设置由HECC构成的塑性铰接段,适应廊道变形,从而提高坝基廊道的防裂性能。首先采用三维有限元数值模拟方法,分析坝基廊道的受力变形特性,揭示坝基廊道的开裂机制,明确易裂部位,确定HECC材料的设置位置;然后通过对比设置HECC塑性铰接段前、后廊道的应力分布,验证了HECC廊道的防裂效果。研究结果表明:水压和自重作用下,廊道受力条件复杂,呈现复杂的挠曲变形;距离端部30 m范围内是廊道应力变化剧烈区域,也是廊道的易裂部位;在两端大应力区设置HECC塑性铰接段后,HECC段承受了廊道本体的大部分变形,率先进入塑性状态,通过内部应力的调整,普通廊道段的应力会大幅下降,开裂风险会明显降低。HECC坝基复合廊道结构能有效减小或避免廊道的开裂和渗漏问题。

关键词： 心墙堆石坝; 坝基廊道; 塑性铰接段; 有限元方法; 水工超高韧性水泥基复合材料; 防裂防渗漏

本文引用格式

龚亚琦 , 颉志强 , 李家正 . 沥青心墙堆石坝HECC复合坝基廊道结构应力变形分析[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(10) : 144 -150 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240762

Abstract

[Objective] This study aims to address the cracking and leakage in the foundation galleries of core rockfill dams situated on deep overburden layers by proposing a novel HECC (Hydraulic Engineered Cementitious Composite) dam foundation gallery structure. The structure involves a plastic hinge section made of the HECC material at large stress positions to adapt to the gallery deformation. [Methods] First, three-dimensional finite element numerical simulation method was adopted to analyze the deformation properties of the gallery, reveal the cracking mechanism of the gallery, identify the prone-to-crack parts, and determine the position of the HECC material. Then, by comparing the stress distribution of the gallery before and after installing the HECC plastic hinge section, the anti-cracking effect of the composite gallery structure was verified. [Results] (1) Under hydrostatic loads and self-weight, the gallery exhibited complex flexural deformation. Overall, the maximum displacement occurred at the center of the riverbed, with deformation gradually decreasing towards the banks, showing distinct reverse bending zones at both ends. (2) For conventional concrete gallery, significant tensile stress zones were primarily located at the ends. Within 30 m of the right end and 35 m of the left end, the tensile stress exceeded the tensile strength of the concrete. This was particularly pronounced in the 10 m to 20 m range from each end, where high levels of tensile stress were observed at the gallery’s crown and sidewalls. (3) In the proposed foundation gallery structure, 20m-long HECC plastic hinge sections were installed at the ends on both the left and right banks. These HECC sections fully entered plastic state, with the maximum equivalent plastic strain remaining within the material’s allowable limits, ensuring that the HECC segments would not leak. (4) As the HECC sections underwent plastic deformation, they accommodated most of the deformation from the main gallery body. Through stress redistribution, the overall stress level in the conventional concrete portion of the gallery was significantly reduced. The area where tensile stress exceeded the design strength in the typical cross-sections of the high-stress zones at the ends was markedly decreased, with a maximum reduction of approximately 70%, thus significantly lowering the risk of cracking. [Conclusions] (1) The regions within 30m of the ends of the foundation gallery in asphalt core rockfill dam are areas of intense stress variation and are prone to cracking. (2) The introduction of HECC plastic hinge sections in these high-stress zones at both ends allows the HECC sections to enter a plastic state first. Through internal stress redistribution, the stress in the conventional gallery sections is substantially reduced. The areas where tensile stress exceeds the design strength in typical cross-sections, especially in the high-stress end zones, are significantly reduced, thereby reducing the risk of cracking. (3) The HECC plastic hinge sections leverages the material’s inherent strain-hardening, ultra-high toughness, crack dispersion, and self-healing properties. This not only ensures the sections themselves remain impermeable but also effectively reduces or prevents cracking and leakage issues in the concrete gallery.

Key words： asphalt core rockfill dam; foundation gallery; plastic hinge; finite element method; HECC; crack and leakage prevention

0 引言

随着堆石碾压技术的不断完善,心墙堆石坝以其工程造价低、施工简便、对地形地质适应性强等优点,在水利水电建设中应用广泛[1]。在实际工程中,堆石坝的防渗墙与心墙间往往设置有坝基廊道,廊道不仅可起到连接防渗墙和心墙的作用,还可作为灌浆廊道缩短建设工期,更可为后期监测和检修提供通道[2]。坝基廊道起到连接上部心墙和下部防渗墙的作用,与心墙、防渗墙共同构成堆石坝防渗体系。在施工及运行条件下,坝基廊道承受上部心墙和下部防渗墙的拖拽作用,同时还承受基岩约束、堆石体挤压、外部水压荷载等作用,容易发生不均匀沉降和应力集中现象,是整个防渗体系的薄弱环节[3],廊道极易发生开裂甚至止水破坏的现象。从公开的文献资料来看,不同高度堆石坝工程的坝基廊道均有不同程度的开裂渗漏问题[4-7],特别是随着建筑于深厚覆盖层的土石坝工程越来越多,坝基廊道防裂防渗漏问题日益严峻。与常规混凝土裂缝不同,坝基廊道开裂引起的渗漏水压大,作业空间小,难以修复,严重威胁大坝安全。针对廊道开裂问题,冯蕊等[8-9]采用子模型方法分析了廊道应力变形的规律和非线性开裂特性,结果表明廊道破坏与结构缝位置、河谷两岸坡度等密切相关,廊道裂缝从两岸向河床开展,基岩面附近的裂缝大致与基岩面成45°角分布;陈刚等[10]研究了瀑布沟大坝防渗墙廊道与心墙连接的不同构造形式,提出了在廊道两侧及顶部填筑高塑性黏土的廊道连接型式及细部构造建议。吴梦喜等[11]研究表明,高塑性黏土仅设置于混凝土结构顶部有利于抑制心墙变形和施工进度;苗君等[12]对比研究了坝基廊道嵌入地基和凸出心墙内2种布置型式,结果表明廊道嵌入地基方案对心墙应力有利,廊道凸出心墙内方案对廊道应力有利;熊堃等[13]研究表明,采用配筋处理后,坝基廊道仍可能出现开裂,建议对廊道的结构型式进行调整以及采取一定的工程措施以保障防渗系统的安全性。
综上所述,目前的研究主要集中在结构层面(如,结构缝设置,廊道连接形式,设置塑性黏土区等)解决廊道开裂问题,但从坝基廊道开裂的实际情况来看,实施效果有限。
高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite, ECC)最早由美国密歇根大学Li等[14]于20世纪90年代设计提出,这种材料具有很高的延展性,在工民建领域应用广泛。长江水利委员会长江科学院基于地缘性材料研发了适用于水工建筑物的水工超高韧性水泥基复合材料(Hydraulic Engineered Cementitious Composite, HECC),该材料具有高延性、高韧性、高抗裂等方面的独特优势,在水工混凝土领域具有广泛的应用前景[15]。
为解决深厚覆盖层心墙堆石坝坝基廊道的开裂问题,提出了一种新型坝基廊道复合结构,见图1。
图1 HECC复合坝基廊道结构

Fig.1 Structure of the HECC composite foundation gallery

在坝基廊道变形较大区域设置HECC材料段,承担廊道的大变形,HECC材料进入塑性状态并耗散能量,从而保护混凝土结构整体的安全,HECC结构段将发挥类似梁柱等结构延性抗震设计中塑性铰[16]的作用。在廊道结构中可以设置多段HECC材料,形成多段HECC塑性铰接段与普通混凝土段连接构成的复合坝基廊道结构,由HECC材料适应廊道的复杂变形,从而提高坝基廊道的防裂性能。
本文采用三维有限元分析方法,通过分析坝基廊道的受力变形特性,总结坝基廊道的开裂根源,明确易裂部位,验证新型坝基廊道复合结构的防裂效果,为坝基廊道防裂、防渗漏提供一条新的有效途径。

1 计算模型及参数

沥青混凝土心墙堆石坝工程,坝址区河床覆盖层厚17.70~58.80 m。设置坝基廊道与心墙和防渗墙直接联接,防渗墙厚度为1.2 m,廊道长约215 m(桩号0+64.47 m—0+279.32 m),断面为城门洞型,尺寸(宽×高)为3 m×3.5 m,廊道与防渗墙采用刚性连接。

1.1 基于多点约束的精细化有限元模型

坝基廊道和堆石坝整体相比尺寸相差悬殊,在进行有限元分析时,要同时保证坝体、心墙、廊道及防渗墙的计算精度,整个模型均需采用较密的网格,将导致有限元模型的规模非常庞大,计算效率低。目前,局部细网格和整体粗网格之间的处理方法主要有2种:子模型法[17]和多点约束法[18]。其中,多点约束法的基本思想是在连接界面上利用位移协调条件,建立以节点自由度为控制值的约束方程,实现界面上不同单元之间的力学响应及自由度的传递,该方法在求解非线性迭代问题中具有很强的鲁棒性[19],相比子模型方法,多点约束法只需计算一次,更为快捷。
本文基于多点约束方法,建立包含坝体、心墙、廊道、堆石体、坝基覆盖层、防渗墙、基岩在内的三维有限元网格模型,廊道附近区域采用细网格,精细模拟防渗墙、基础廊道、基础廊道与两岸端部连接墙的接头部分、廊道与防渗墙的刚性连接区域等细部结构,其中廊道、沥青混凝土心墙、周围堆石体以及防渗墙之间的连接采用接触算法;对于远离廊道的区域则采用相对粗的网格。将疏密非均匀网格统一到一起计算,从而达到不失计算精度,又提高效率的目的。
大坝体及坝基采用六面体8节点单元,三维整体模型见图2(a),心墙-廊道-防渗墙精细网格见图2(b),整个计算模型共382 234个单元,其中廊道附近区域划为277 013个三维精细单元,最大剖面如图2(c)所示。研究表明[20],合理的结构分缝能在一定程度上减小廊道的拉应力,本文出于最不利考虑,廊道按不分缝处理。
图2 沥青混凝土心墙堆石坝三维有限元模型

Fig.2 Three-dimensional finite element model of asphalt concrete core rockfill dam

沥青混凝土心墙堆石坝三维模型中,x轴为顺河向,指向下游为正;y轴为横河向,指向左岸为正;z轴为竖直向,指向上为正。

1.2 计算参数

堆石体、覆盖层、心墙的本构模型采用邓肯E-B模型[21],材料参数如表1所示,对应的材料分区如图2(c)所示。
表1 E-B模型材料参数

Table 1 Material parameters of E-B model

材料 干密度/
(g·cm-3)		 内摩擦角
φ/(°)		 黏聚力
C/kPa		 破坏比
Rf		 弹性模量
基数k		 弹性模量
指数n		 卸载模量
基数Kur		 体积模量
基数Kb		 体积模量
指数m
堆石Ⅰ区 2.32 52.5 0.00 0.62 919 0.26 1 838 545 0.07
堆石Ⅱ区 2.30 50.8 0.00 0.64 758 0.28 1 516 385 0.13
堆石Ⅲ区 2.16 50.4 0.00 0.60 434 0.40 868 208 0.30
过渡层 2.33 57.5 0.00 0.61 1 418 0.28 2 836 1 043 0.04
沥青心墙 2.41 26.6 0.16 0.70 312 0.23 936 2 048 0.54
覆盖层① 1.54 46.7 0.00 0.65 756 0.41 2 268 290 0.35
覆盖层② 1.27 37.5 0.00 0.80 300 0.35 600 150 0.45
混凝土防渗墙和基岩采用线弹性本构模型。对HECC材料采用线性强化弹塑性本构模型,其应力-应变关系曲线通过直接拉伸试验(图3)获取,如图4所示。
图3 HECC材料直接拉伸试验

Fig.3 Direct tensile test of the HECC material

图4 HECC材料的应力-应变关系曲线

Fig.4 Stress-strain curves of the HECC material

1.3 计算工况

计算模拟了堆石坝体的逐层填筑以及水库水位逐渐升高过程,计算中地基初始应力场由自重应力构造。普通混凝土廊道结构与HECC塑性铰接段复合廊道结构的计算工况和计算条件完全相同。
计算过程中,水面线以下土体采用浮容重,水面线以上采用饱和重度,考虑不利因素,在心墙-廊道-防渗墙的防渗体系作用水压力,以此来简化考虑孔隙水压力的影响。

2 普通混凝土廊道变形和应力特性

针对普通混凝土坝基廊道结构,开展了正常蓄水工况条件下的应力变形状态分析,廊道变形如图5、图6所示。蓄水过程中,在水压荷载作用下廊道向下游发生挠曲变形,同时在堆石体重力作用下,发生竖直向变形,在坝轴向发生朝向河床方向变形,最终导致廊道呈现复杂的挠曲变形,如图7所示。
图5 廊道变形俯视图(变形放大60倍)

Fig.5 Top view of gallery deformation (deformation magnified by 60 times)

图6 廊道位移沿轴向分布

Fig.6 Distribution of displacement along axial direction of gallery

图7 廊道不同剖面变形

注:左侧为上游侧,变形放大50倍。

Fig.7 Deformations of different gallery sections

廊道最大位移出现在河床中央,变形向两岸逐渐减小。廊道中间段基本保持不变,如图6所示,廊道变形在两端呈现明显的“反弯段”特征[5,9]。
蓄水后,廊道较大拉应力区主要位于两端30 m的范围内,最大拉应力达到10.69 MPa,位于右端下游侧距端部10 m左右位置,拉应力向中间衰减,距端部20 m处左右,拉应力降为5 MPa左右,廊道中间段区域基本处于受压状态,如图8所示。由图8可知,廊道右侧端部30 m、左侧端部35 m范围内拉应力超过混凝土材料抗拉强度,特别是左、右段离端部10~20 m范围内廊道拱顶和侧墙拉应力水平较高。
图8 廊道第一主应力分布

注:正值表示拉应力,负值表示拉实力,下同。

Fig.8 Distribution of first principal stress in gallery

3 HECC复合廊道变形和应力特性分析

普通混凝土(Regular Concrete,RC)坝基廊道变形和应力分析表明,在廊道两端拉应力变化剧烈,存在较大的开裂风险。因此,在廊道左、右两岸端部各设置长度为20 m的HECC塑性铰接段,如图9所示,由于HECC材料具有自身应变硬化、超高韧性、裂缝分散和自修复等特性,结构设计中允许其在大变形条件下进入塑性,HECC段将产生不均匀的微裂缝,试验表明该微裂缝本身不会发生渗漏。因此,本节重点关注普通混凝土廊道段的应力及开裂风险。
图9 HECC复合廊道典型剖面示意图

Fig.9 Schematic diagram of a typical cross-section of HECC composite foundation gallery

由于目前关于HECC材料与普通混凝土材料粘结性能的研究还不全面,没有两者粘结性能的量化参数,在施工中对交界面做凿毛等糙化处理后,可以认为两者紧密粘结,因此,本文中将HECC与普通混凝土的交界面采用共节点直接处理。在HECC塑性铰接段与普通混凝土的交界部位存在明显的应力集中现象,为了验证HECC廊道的防裂效果,选取靠近两端和河床中央等3个典型截面,对比设置HECC塑性铰接段前后的廊道应力分布,3个剖面从左岸向右岸分别为:剖面1(桩号0+85.47 m,距离左端HECC交界面1 m位置)、剖面2(桩号0+170.0 m,中间剖面)、剖面3(桩号0+258.32 m,距离左端HECC交界面1 m位置),各特征剖面位置如图9所示。
在两端大应力区,HECC段承受了廊道本体的大部分变形,率先进入塑性状态,HECC段顶部发生了明显的位移突变。HECC区域最大等效塑性应变在1.5%以下,应变在HECC允许的范围内,如图10所示。
图10 HECC复合廊道结构等效塑性应变分布

Fig.10 Distribution of equivalent plastic strain in HECC composite foundation gallery

HECC段进入塑性后,廊道本体其他部位的变形量及应力将会大幅下降,开裂风险会明显降低,能有效避免廊道本体其他部位的开裂和渗漏问题。
左岸剖面1设置HECC塑性铰接段之前,廊道下游大部分区域为受拉状态,应力约为1.8~5 MPa,最大值为6.74 MPa,位于下游侧底部,廊道下游侧墙开裂风险较高;设置塑性铰接段后,廊道剖面整体应力水平显著降低,较大拉应力主要位于底板表面,最大拉应力约为2.8 MPa,如图11所示。
图11 剖面1(距离左端21 m)主拉应力分布

Fig.11 Distribution of principal tensile stress in Section 1 (21 m from left end)

河床中央剖面2,廊道主要处于受压状态,较大拉应力主要位于廊道底板,设置HECC塑性铰接段后,底板拉应力有一定改善,如图12所示。
图12 剖面2(中央剖面)主拉应力分布

Fig.12 Distribution of principal tensile stress in Section 2 (central section)

右岸剖面3,设置HECC塑性铰接段之前,下游基本为受拉状态,廊道下游侧墙开裂风险较高;设置塑性铰接段后,廊道剖面整体应力水平显著降低,如图13所示。
图13 剖面3(距离右端21 m)主拉应力分布

Fig.13 Distribution of principal tensile stress in Section 3 (21 m from right end)

通过对比可知,HECC段承受了廊道本体的大部分变形,率先进入塑性状态。经过应力调整,普通廊道段,特别是侧墙的应力极值大幅下降,两端大应力区典型剖面拉应力超过设计强度的区域范围最大减小了约70%,见图14,廊道开裂风险会明显降低。
图14 不同廊道典型剖面拉应力超过混凝土设计强度的区域面积对比

Fig.14 Comparison of areas of tensile stress exceeding design strength of concrete in typical sections of different foundation galleries

4 结论

本文采用三维有限元方法,分析了坝基廊道的受力变形特性,验证HECC复合坝基廊道结构的防裂效果,研究结果表明:
(1)正常蓄水位下,坝基廊道向下游发生挠曲变形,同时受重力作用廊道发生竖直向下挠曲变形,廊道在轴向呈现朝河床方向变形,廊道左右端部附近存在明显的反“弯段”变形现象。距离端部30 m范围区域是坝基廊道应力变化剧烈区域,也是廊道易裂部位。
(2)在两端大应力区设置HECC塑性铰接段后,HECC段承受了廊道本体的大部分变形,率先进入塑性状态,通过内部应力调整,普通廊道段的应力会大幅下降,普通混凝土段典型剖面拉应力超过设计强度的区域范围,特别是两端大应力区超限范围显著减小,开裂风险会明显降低。
(3)设置HECC塑性铰接段后,可充分发挥HECC材料自身应变硬化、超高韧性、裂缝分散和自修复等特性,能有效减小或避免廊道的开裂和渗漏问题。
(4)设置HECC塑性铰接段后,由于重力作用,廊道底板表面会存在一定的拉应力区,同时,HECC段与普通混凝土交界附近区域拉应力水平相对较高,需要采取配筋等工程措施。

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