摘    要：為研究混凝土防滲墻內(nèi)力及變形影響因素，文章建立數(shù)值計算模型，系統(tǒng)的分析了混凝土剛度及防滲墻厚度對墻內(nèi)力及變形的影響，結(jié)果表明：防滲墻的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均隨墻的高程增大而增大，混凝土彈性模量對墻的變形影響非常小。在不同彈性模量的混凝土工況下，最大水平位移出現(xiàn)在墻頂；防滲墻小主應(yīng)力和和大主應(yīng)力隨高程的增大而減小。為保證防滲墻及大壩有較好防滲性能，應(yīng)結(jié)合試驗確定防滲材料參數(shù)。

關(guān)鍵詞：混凝土防滲墻;內(nèi)力變形;影響因素;數(shù)值模擬;

防滲墻時大壩安全運(yùn)營的關(guān)鍵因素。其中，混凝土防滲墻由于施工簡單和防滲性好的優(yōu)點(diǎn)本廣泛應(yīng)用于土石壩及堆石壩工程中。針對混凝土防滲墻的內(nèi)力及變形影響因素是國內(nèi)外目前研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。蔣凱樂等[1]基于原位試驗及數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了塑性混凝土防滲墻土反力系數(shù)的計算方法。結(jié)果表明，提出的計算方法可以有準(zhǔn)確的反演塑性混凝土防滲墻土壓力系數(shù)，并在時間工程中得到驗證。梁巖等[2]基于三維有限元系統(tǒng)的研究了深槽地基土加固方法對防滲墻的影響。結(jié)果表明，加固砂卵石層地基可顯著降低防滲墻的變形、內(nèi)力及應(yīng)力，顯著提高防滲墻的安全性。侯毅等[3]基于三維有限元研究了花坪河面板堆石壩應(yīng)力變形影響因素。結(jié)果表明，大壩主要受壓應(yīng)力作用，且最大壓應(yīng)力明顯小于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度。此外，面板中部主要為受壓狀態(tài)，而在兩岸岸坡為受拉狀態(tài)，面板發(fā)生張拉變形的垂直縫主要集中在兩岸。孫明權(quán)和常躍[4]采用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論系統(tǒng)的研究了影響混凝土防滲墻內(nèi)力及變形的因素。結(jié)果表明，墻端約束形式、基巖強(qiáng)度及壩體材料均會對混凝土防滲墻墻體位移和應(yīng)力產(chǎn)生影響，其中材料參數(shù)是影響防滲墻變形的主要原因。謝江松等[5]基于數(shù)值分析算法，系統(tǒng)的研究石壩防滲墻內(nèi)力與變形特性。結(jié)果表明，在蓄水工況下，防滲墻上、下游側(cè)水平應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且隨深度增加而增加。此外，基于數(shù)值計算結(jié)果可對防滲墻進(jìn)行配筋驗算。

考慮到目前在進(jìn)行土石壩相關(guān)分析中，大多數(shù)的研究僅針對單一剛度的防滲墻進(jìn)行研究，本文在前人的基礎(chǔ)上，本文建立數(shù)值計算模型，系統(tǒng)的研究防滲墻變形影響因素。本文的研究可為防滲墻的設(shè)計及優(yōu)化提供工程參考。

1 工程概況與數(shù)值模型

1.1 數(shù)值模型

本文研究的土石壩為典型的III型水利工程。最大壩高+60m, 頂寬10m, 底部最大寬度為250m。根據(jù)鉆孔資料揭示，大壩巖土體由上到下分別為砂卵石層，砂礫石層和弱風(fēng)化基巖層，基巖最要是流紋至斑巖層。兩側(cè)坡比按照階梯式而不同。由于大壩運(yùn)營時間比較長，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壩體局部出現(xiàn)裂縫，下由坡腳位置出現(xiàn)管涌破壞。為例保證大壩的安全運(yùn)營，需對大壩進(jìn)行加固處理。加固方法主要為采用塑性混凝土防滲墻，墻體厚度為0.8m。墻體軸線與大壩軸線重合。防身器嵌入基巖深度為1.0m, 防滲墻混凝土彈性模量為5GPa, 本文的分析就是針對加固后的防滲墻進(jìn)行計算分析。典型斷面如圖1所示。

為了研究防滲墻力學(xué)性能差異。采用ABAQUS,根據(jù)壩體典型剖面建立數(shù)值計算模型。其中順河流方向設(shè)為x軸，高度方向為z軸。覆蓋層以巖土體采用Duncan-Chang本構(gòu)模型。混凝土材料采用均值線彈性模型，混凝土彈性模量為1GPa, 泊松比為0.20。此外，防滲墻與覆蓋層增加Goodman接觸面單元，接觸面單元參數(shù)取值為K1=2500,n=0.667,Rf=0.76,α=38°。其他材料的力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 大壩典型剖面圖  

1.2 計算工況

本文的計算工況主要考慮施工期分層填筑和蓄水期的大壩內(nèi)力及變形過程。具體工況為首先考慮施工期低蓄水位下大壩的內(nèi)力和變形，并在此基礎(chǔ)上醉臥蓄水的初始狀態(tài)，蓄水過程主要可分為5步。一次改變防滲墻彈性模量和泊松比進(jìn)行計算大壩的內(nèi)力和變形。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土剛度對防滲墻應(yīng)力和變形影響

混凝土彈性模量對小主應(yīng)力的影響及混凝土彈性模量對小主應(yīng)力的影響，如圖2所示。圖2表明，防滲墻的最小主應(yīng)力隨墻的高程增大而增大，當(dāng)混凝土彈性模量小于5GPa時，最小主應(yīng)力的變化幅度較小，且防滲墻全部處于受壓狀態(tài)。墻頂局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，但整體表較小，最大低于0.2MPa,處于可控狀態(tài)。當(dāng)混凝土彈性模量大于5GPa時，防滲墻的最小主應(yīng)力變化速率增大，在墻頂局部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，最小拉應(yīng)力為2MP,此時超過了混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，有可能出現(xiàn)墻體開裂問題。實(shí)際工程中也發(fā)現(xiàn)了與數(shù)值計算結(jié)果一致的開裂 現(xiàn)象。混凝土防滲墻的大主應(yīng)力高程增大而增大，在相同高程位置處，彈性模量越大，防滲墻最大主應(yīng)力越大。其中當(dāng)混凝土彈性模量為1GPa時，墻頂處的最大主應(yīng)力為1.8MPa,當(dāng)混凝土彈性模量增大至25MPa時，最大主應(yīng)力的值為8.3MPa,且防滲墻多處于受壓狀態(tài)，如圖3所示。

圖2 混凝土彈性模量對小主應(yīng)力的影響   

圖3 混凝土彈性模量對大主應(yīng)力的影響 

混凝土彈性模量對位移的影響，如圖4所示。結(jié)果表明，混凝土防滲墻的變形隨高程增大而增大，最大變形位置主要出現(xiàn)在墻頂位置處。其他條件相同的情況下，混凝土彈性模量對墻的變形影響非常小。總體來看，防滲墻在不同彈性模量的混凝土工況下，最大水平位移出現(xiàn)在墻頂?shù)?60mm,相對 較小滿足規(guī)范安全性要求。因此，實(shí)際工程中，墻體的主應(yīng)力受混凝土彈性模量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墻體變形受混凝土彈性模量的影響。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)匯總

圖4 混凝土彈性模量對位移的影響 

2.2 墻體厚度對防滲墻應(yīng)力和變形影響

為研究防滲墻厚度對墻體內(nèi)力及變形的影響。本文假定防滲墻的彈性模量為5GPa,分別計算了混凝土防滲墻厚度為0.4,0.8和1.2m工況下，墻體的內(nèi)力和變形。防滲墻小主應(yīng)力隨高程的增大而減小，在高程相同的情況下，防滲墻厚度對墻的小主應(yīng)力應(yīng)力并不顯著，如圖5所示。在防滲墻的墻頂局部出現(xiàn)拉應(yīng)力。最大拉應(yīng)力分別為-0.2、-3.0和-2.8MPa。防滲墻厚度對大主應(yīng)力的影響如圖6所示。結(jié)果表明，大主應(yīng)力隨高程的增大而減小，隨厚度的增大而減小。總體來看，防滲墻厚度對小主應(yīng)力的影響程度要大于對大主應(yīng)力的影響程度。防滲墻厚度對位移的影響如圖7所示。結(jié)果表明，3種不同厚度下墻體的水平位移曲線基本重合，證明混凝土防滲墻的厚度對水平位移影響并不顯著。此外，墻的水平位移隨高程增大而增大，三種厚度下墻體最大位移為160mm。綜合來看，不同壩高、不同剛度混凝土下防滲墻的抗壓強(qiáng)度均小于極限值，大壩在運(yùn)營期存在的安全隱患較小[6]6]。

根據(jù)以上的分析，實(shí)際工程中，為施工簡單，通常在防滲墻內(nèi)部并不施加鋼筋。因此計算中不允許墻體出現(xiàn)拉應(yīng)力。對于大壩高度較大的工程，一般混凝土彈性模量不能超過5GPa。而對于小于20m的壩體，一般可采用常規(guī)混凝土進(jìn)行設(shè)計。此外，為例保證防滲墻及大壩有較好的變形能力，通常要求防滲墻為塑性防滲墻，宜采用低彈性模量的混凝土進(jìn)行澆筑。對于重要性工程，應(yīng)結(jié)合試驗及數(shù)值模擬進(jìn)行精確判斷選取。

圖5 防滲墻厚度對小主應(yīng)力的影響

圖6 防滲墻厚度對大主應(yīng)力的影響 

圖7 防滲墻厚度對位移的影響 

3 結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬研究了混凝土防滲墻內(nèi)力及變形影響因素，系統(tǒng)的分析了混凝土剛度及防滲墻厚度對墻內(nèi)力及變形的影響，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)防滲墻的最大主應(yīng)力隨墻的高程增大而增大，混凝土防滲墻的變形隨高程增大而增大，最大變形位置主要出現(xiàn)在墻頂位置處。綜合來看，混凝土彈性模量對墻的變形影響非常小。在不同彈性模量的混凝土工況下，最大水平位移出現(xiàn)在墻頂?shù)?60mm。

(2)防滲墻小主應(yīng)力和和大主應(yīng)力隨高程的增大而減小。總體來看，防滲墻厚度對小主應(yīng)力的影響程度大于對大主應(yīng)力的影響程度，墻體厚度對墻的變形影響不顯著。

(3)通常在防滲墻內(nèi)部并不施加鋼筋。因此計算中不允許墻體出現(xiàn)拉應(yīng)力。對于大壩高度較大的工程，一般混凝土彈性模量不能超過5GPa。而對于小于20m的壩體，一般可采用常規(guī)混凝土，結(jié)合試驗及數(shù)值模擬進(jìn)行精確判斷選取。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣凱樂，李云鵬，張如滿，等.塑性混凝土防滲墻土反力系數(shù)反演[J].巖土力學(xué)，2012,33(S2):389- 394.

[2] 梁巖，班亞云，羅小勇.深槽地基土加固方法對防滲墻的影響研究[J].水利水電技術(shù)，2017,48(3):46- 51.

[3] 侯毅，張勁松，李明合，等.花坪河面板堆石壩應(yīng)力變形分析[J].人民黃河，2013,35(9):103- 105.

[4] 孫明權(quán)，常躍.影響混凝土防滲墻內(nèi)力及變形的因素分析[J].人民黃河，2006(4):65- 66,68.

[5] 謝江松，王政平，湛杰.某面板堆石壩防滲墻內(nèi)力與變形特性研究[J].人民珠江，2019,40(1):131- 137.

[6] 寧保輝，于沭，董振鋒，等.前坪水庫大壩設(shè)計及三維應(yīng)力變形分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2019(5):140- 144,147.

文章來源水利技術(shù)監(jiān)督. 2023(10)