防滲墻側壁負摩阻力的有限元分析

杜　濱，袁小斐，閻雪梅（.山東省水利科學研究院，山東 濟南 5004；.榮成市水利局，山東 榮成 64300）

防滲墻側壁負摩阻力的有限元分析

杜濱1，袁小斐2，閻雪梅2
（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014；2.榮成市水利局，山東 榮成 264300）

【摘要】以威海市崮山水庫為例，采用有限元法分析防滲墻的受力狀態，探討模量比值k的變化對墻體負摩阻力，以及中性點位置的影響，為防滲墻的運行管理提供理論支持。

【關鍵詞】防滲墻；負摩阻力；相對沉降；中性點

防滲墻是修筑在土石壩和松散覆蓋層中起防滲作用的地下連續墻，因其防滲效果好、施工速度快，結構可靠等優點，是土石壩防滲處理的首選工程措施。但是防滲墻主要是以水泥為膠凝材料的混凝土構筑物，即使采用黏土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的塑性混凝土澆筑的防滲墻，其變形模量與壩體土也差異較大，壩體在自身沉降過程中，墻體變形小，壩體變形大，當壩體土相對墻體產生向下的位移時，土體就會對墻體產生向下的摩阻力即負摩阻力，當負摩阻力大于墻體材料的抗拉強度時，防滲墻就會出現開裂，裂縫的出現會嚴重降低墻體的防滲性能，甚至產生流土、管涌等水力破壞現象。本文結合威海市崮山水庫大壩安全鑒定，分析防滲墻的側壁摩阻力的變化，評價墻體的工作狀態。

1　工程概況

崮山水庫位于威海市環翠區，是一座以防洪、供水為主的中型水庫。樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞3部分組成，壩長385.0 m，最大壩高20.3m。心墻和壩基砂內構筑混凝土防滲墻，墻體位于壩軸線，墻長150.8m，厚度0.6 m，頂高程25.0 m，壩基砂內平均深度12.71 m,底部嵌入基巖1.2m，墻體材料為C10素混凝土。水庫經多年運行后，現狀沉降基本穩定，但是防滲墻與墻兩側土體彈性模量差異較大，由于沉降差異，墻體側壁易出現負摩阻力，當負摩阻力大于墻體抗拉強度時，可引起墻體裂縫，因此采用有限單元法對防滲墻側壁負摩阻力模擬計算，評價墻體的應力狀態。

2　防滲墻應力分析

防滲墻應力計算采用Duncan Et-μt模型，它是一種非線性應力應變關系模型，兩個基本變量為切線楊氏模量Et和切線體積變形模量Bt，Et、Bt表達式分別為：

式中，K為模量參數；n為無因次指數；Pa為大氣壓力；Rf為破壞比；Kb是待定試驗常數；m為體積模量指數；S為應力水平。

由Et、Bt作為參數求得土的泊松比μt為：

計算中限制Bt值在Et/3～17Et的范圍內，相當于μt在0～0.49的范圍內。

壩體主要由黏土心墻、壤土壩殼、砂殼、堆石壓重體和壩基砂組成，壩基基巖為片麻花崗巖，作為剛性材料考慮。壩體土計算參數均可采用常規三軸剪切試驗測定，室內試驗成果建議值見表1。防滲墻的干密度、彈性模量和泊松比分別為ρd=2.4 g/cm3，E=600MPa，μ=0.17。

埋于壩體和壩基中的防滲墻，其受力情況比較復雜，不僅受到水壓力、土壓力、壩體自重的影響，同時由于防滲墻及其兩側的彈性模量差異較大，沉降差異引起的不均一變形產生側壁正、負摩阻力，防滲墻底部支撐條件也是影響墻體受力的主要因素。對于已運行多年的水庫，壩體主要是豎向變形，墻體與兩側壩體沉降差異產生的摩阻力引起的墻體豎向應力為主要內力，也是產生墻體裂縫的主要因素。防滲墻側壁摩阻力分布見圖1。

表1壩體土室內試驗結果匯總表

圖1防滲墻側壁摩阻力沿深度的分布曲線

由圖1知：在心墻內部及壩基中上部的防滲墻內豎向主應力都為負值；防滲墻隨著深度的增加負摩阻力逐漸減小，在深度24m處摩阻力為零，墻體和兩側土體沉降相等，該點定義為中性點，中性點向下逐漸產生了正的摩阻力。經計算墻體最大負摩阻力為1 250 kPa，接近墻體的極限抗拉強度值，因此墻體內存在產生裂縫的可能。

經分析，防滲墻出現負摩阻力的原因是：壩體和防滲墻的彈性模量差異較大，且墻體底部支撐條件較好，在外力作用下，墻體變形較小，而壩體材料為松散層，在自重下所產生的固結沉降明顯，最大沉降量達84.5 cm，使得防滲墻兩側的壩體沉降大于防滲墻的沉降，從而引起對墻體側面的向下摩阻力，隨著深度的增加，壩體沉降量逐漸變小，而墻體在上覆壓力和負摩阻力的作用下沉降量逐漸增加，二者的相對沉降量逐漸減小，側壁負摩阻力也逐漸減小，當相對沉降減小為零，即達到了中性點，側壁摩阻力為零；過中性點后，上部產生的較大負摩阻力使防滲墻的壓縮量繼續增加，大于了兩側覆蓋層的壓縮量，這時在防滲墻的側壁上會出現正的摩阻力（方向向上），且隨著深度的增加在不斷加大，一直達防滲墻底部，其正摩阻力達到了最大值。由于墻體底部是入巖的封閉式防滲墻，墻基堅硬，受負摩阻力引起的下拉荷載產生的沉降較小，負摩阻力會長期作用于中性點以上墻體兩側，由于溶蝕等外部因素的影響，墻體強度會逐漸降低，當負摩阻力大于混凝土的拉應力時，會造成墻體開裂，因此應加強墻體長期觀測。

3　不同k值下的負摩阻力計算

防滲墻側壁產生負摩阻力的原因是墻體與兩側土體的剛度不同，在外力作用下壩體產生了相對墻體的沉降。為研究兩者的剛度差異對負摩阻力的影響，選取兩種材料的不同模量比值k進行計算分析。不同k值下的墻側壁最大負摩阻力變化和中心點位置見圖2。

圖2 k值與負摩阻力和中性點關系曲線

從圖2知，防滲墻－土層相對剛度的大小對防滲墻最大側壁摩阻力有較大的影響。隨著k的增大，其側壁負摩阻力也不斷的加大。側壁負摩阻力在k值較小時增長較快，但隨著k值的繼續增加，其最大負摩阻力的增量逐漸減小。原因是隨著k值的加大，墻體的模量不斷增加，在外力不變的情況下自身沉降量減小，墻體與兩側松散層的相對沉降增大，當相對位移增加到一定程度，兩側土體產生屈服破壞，側壁摩阻力達到峰值，即使再加大k值，其負摩阻力基本保持不變。因此為降低側壁負摩阻力，在滿足墻體抗壓強度的情況下，盡量采用低彈模的塑性防滲墻。

4　k值對中性點的影響

防滲墻所受摩阻力為0的點為中性點。經計算防滲墻中性點位置隨著k的變化見圖2。

由圖2知，中性點的位置在-15～23 m之間，也就是在防滲墻深度的1/2～1/3處，符合端承墻的受力規律。中性點隨著相對剛度k值的增大而深度逐漸增加，在二者的剛度比較接近時，k值對中性點的位置影響較大，當剛度差別較大時，中性點的位置基本不隨k值的變化而變化。原因是防滲墻的彈性模量較小時，防滲墻的變形大，產生的相對位移小，隨著深度的增加，負摩阻力的增加引起的防滲墻壓縮量不斷的變大，使得防滲墻與覆蓋層兩者的不均勻沉降快速的得到了彌補，從而中性點較高。隨著k的加大，中性點下降的速度在放慢。中性點處也就是墻體所受應力最大的點，因此在工程管理中，要重點加強防滲墻底端1/3～1/2之間的施工質量，加強該處的觀測。

5　結論

通過對崮山水庫防滲墻側壁負摩阻力和中性點位置隨k值的變化規律分析得出，主要結論：1）水庫經過多年運行，壩體固結沉降明顯，最大沉降量達84.5 cm，造成墻體產生較大的負摩阻力，其值已經接近材料的極限抗拉強度，應加強墻體觀測。2）防滲墻－土層相對剛度的大小對防滲墻最大側壁摩阻力有較大的影響。側壁負摩阻力在k值較小時增長較快，但隨著k值的繼續增加，其最大負摩阻力的增量逐漸減小。因此為降低側壁負摩阻力，在滿足墻體抗壓強度的情況下，盡量采用低模量的材料以適應壩體變形，從而減小防滲墻的應力。3）防滲墻最大豎向應力的位置基本在距防滲墻底端1/3～1/2處，因此在工程中應加強該部位的監測，防止墻體出現破壞。

（責任編輯趙其芬）

【中圖分類號】U443.1

【文獻標識碼】B

【文章編號】1009-6159（2015）-08-0005-02

收稿日期：2015-05-26

作者簡介：杜濱（1978—），男，工程師