塑性混凝土心墻材料參數的敏感性分析

金一鴻

(林口縣朱家鎮農業綜合服務中心，黑龍江 林口 157613)

塑性混凝土心墻材料參數的敏感性分析

金一鴻

(林口縣朱家鎮農業綜合服務中心，黑龍江 林口 157613)

塑性混凝土心墻近些年在工程中有著重要應用，是重要的防滲型式之一，因工藝簡單、防滲效果突出等優點得到廣泛應用。塑性混凝土防滲能力強，彈性模量比低、較好的適應外界荷載和環境溫度變化等特點而受到人們的廣泛關注。文章進行了墻體材料對塑性混凝土心墻應力變形特性的影響分析，揭示了一定條件下塑性混凝土心墻的應力變形特性。

塑性混凝土心墻；防滲型式；應力變形；敏感性分析

0 引 言

塑性混凝土作為一種新型防滲材料，和普通混凝土的不同之處在于，前者的膠凝材料組成既有水泥和黏土等，通常還會摻加外加劑、粉煤灰來提升特定性能，同時得以減少工程材料用量[1]。目前對于壩體塑性混凝土防滲墻分析較少，分析僅限于在混凝土防滲墻的材料特性和受力狀態上，且大部分應用于大壩壩基和施工圍堰的防滲處理。塑性混凝土心墻作為大壩的防滲體系，其結構安全是整個大壩安全運行的保證。為了對塑性混凝土心墻進行深入系統的研究，系統分析塑性混凝土心墻不同材料特性對塑性混凝土心墻應力變形特性的影響顯得尤為重要。

1 塑性混凝土的應力變形特性

根據受力特點，對塑性混凝土進行了三軸壓縮試驗[2]，分析壓力水平、齡期對塑性混凝土靜力學特性的影響。

1.1 三軸壓縮試驗條件下的破壞型式及設計強度準則

(1)

對于塑性混凝土防滲墻，采用摩爾—庫侖強度理論，考慮測壓的作用可較大程度的提高抗剪強度，比較符合實際情況。尤其是在對中高土石壩塑性混凝土防滲墻中。

1.2 四周壓力對塑性混凝土強度和極限應變的影響[3]

塑性混凝土的應力應變曲線直觀上存在比例極限的極限點，在此點下方，應力變形關系曲線類似直線。四周壓力σ3的不斷增加，關系曲線趨于曲線階段變化，此時體積應變為減縮，這是非線性材料的顯著特點。這種變化說明塑性混凝土壩和壩基巖體的材料本構關系相似。同時塑性混凝土的抗壓強度隨壓力的變化逐漸增大，極限應變變化規律同抗壓強度。

1.3 四周壓力對塑性混凝土初始模量的影響

在土體中，初始模量Ei隨著四周壓力σ3的不斷增加而增加，指數函數關系式為：

(2)

式中：K、n為試驗常數，由常規三軸試驗確定。

塑性混凝土的初始模量Ei與圍巖壓力沒有這種指數關系，正因這一材料力學特性，保證了其在土石壩防滲墻中的合理應用。當防滲墻不斷填筑時，土體的初始模量增大，但塑性混凝土防滲墻的變化幅度不大，致使荷載發生轉移，防滲墻的應力得到改善。塑性混凝土的抗壓強度隨著時間關系的不斷增大，極限應變不斷增加，有力的保障了其安全性。

1.4 齡期對塑性混凝土力學特性的影響

在不同齡期的無側限壓縮試驗中分析得出，齡期與塑性混凝土的強度和初始模量呈線性變化關系。塑性混凝土隨齡期的增長，其抗壓強度大大提高，而且其提高倍數與灰水比密切相關，幾近成反比關系。塑性混凝土的無側限抗壓強度和初始模量幾乎同步增長。而混凝土的模強比與齡期變化呈反比關系，說明塑性混凝土防滲墻齡期越長，安全系數越高。

2 工程實例

2.1 工程概況

某水利樞紐工程位于遼寧省境內，距市區68km。該水庫主要是以蓄水為主，發電、防洪為輔。該工程級別為Ⅱ等，工程規模為大(2)型，水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、泄洪排沙洞和壩后電站等主要建筑物組成。壩體為塑性混凝土心墻碾壓砂壩，大壩按洪水百年一遇設計，千年一遇校核。水庫正常蓄水位765m，設計洪水位765.22m，校核洪水位766.82m。壩頂高程768m，最大壩高58.0m，壩長745.0m，壩寬10m[4]。大壩標準橫剖面見圖1。

圖1 大壩標準橫剖面圖

2.2 心墻應力變形性態對于其材料參數的敏感性分析

由工程經驗研究成果得知，塑性混凝土的彈性模量是影響變形性能的關鍵參數，文章根據工程比較采用以下四組經驗參數[5]，分別對不同材料特性的塑性混凝土與普通混凝土心墻進行應力變形計算分析，見表1。

表1 不同心墻材料非線性彈性模型計算參數

通過對以上四種方案的計算，得到各方案在兩種工況下應力變形分布規律，將四種方案防滲心墻的位移和應力變化歸納總結列于表2中。

表2 不同材料的心墻應力變形統計表

2.3 計算結果

1)施工期

2)蓄水期

從圖示結果可以看出，不同方案下心墻水平位移大致呈現與心墻彈性模量的反比關系，數值變化區間在一定范圍內不大。竣工期，心墻水平位移最大值4.9cm，蓄水期增大為21.8cm，位置約在2/3壩高處。表明不同材料對心墻水平位移影響較小。

心墻的垂直位移受混凝土模量影響較大，剛性混凝土比塑性混凝土防滲心墻的變化值小。竣工期，方案一的最大沉降為27.7cm，方案四為19.2cm，減少了8.5cm。蓄水期，方案一的最大沉降41.3cm，方案四僅有22.8cm，減少了18.5cm。分析認為剛性混凝土防滲心墻的適應變形能力不如塑性混凝土防滲心墻，原因在于其與壩體和覆蓋層變形不一致，容易脫開，危險系數加大。對比可知混凝土防滲心墻的水平位移的變化受其自身材料參數影響很小，在沉降分布上受自身材料參數的影響較大。

四種方案下不同工況的大、小主應力沿心墻高度方向分布規律相同，原因在于防滲心墻受壓應力，隨壩體高度的增加逐漸變小，在壩基與覆蓋層的接觸面有不同程度的應力集中。塑性混凝土最大壓應力隨模量增加而增加。對比方案一與方案二，模量提高110%，竣工期應力增加21%，蓄水期增加約12%；方案三與方案一比，模量提高63%，施工期應力增加約36%，蓄水期增加6%。受材料特性影響，塑性混凝土心墻大主應力增加緩慢，明顯小于剛性混凝土心墻的應力變化水平。但二者的小主應力分布規律幾乎一致且數值變化區間相近。

由圖可知，塑性混凝土墻體的應力水平變化范圍較大，在壩基基巖面和地基覆蓋層處的應力水平沿高程局部有震蕩現象，因應力水平小于1.0，表明塑性混凝土是安全的。而剛性混凝土心墻的應力水平局部達到1.8，遠大于應力水平允許值，剪切破壞發生的可能性很大。從剛性混凝土心墻的適應變形能力和受力狀態等表現都劣于塑性混凝土防滲心墻。塑性混凝土心墻比剛性混凝土心墻的適應能力更強，心墻的柔軟度越好，其相應的應力狀態越穩定。變形指標越小對其應力狀態的適應性更強。所以，在設計工作當中，推薦采用塑性混凝土心墻壩。

3 總 結

文章在塑性混凝土應力變形特性的分析基礎上，以心墻壩工程為例，進行了常規的三維有限元計算，得出塑性混凝土心墻壩在不同工況下剛性及塑性混凝土心墻材料參數不同的心墻特性敏感性分析，通過不同方案的計算對比分析，塑性混凝土的工程適用性更強，實際工程宜采用高強低彈的塑性混凝土材料。

[1]張鵬,李清富.塑性混凝土抗剪強度試驗研究[J].水力發電，2008(08)：19-21，24.

[2]譚小通.塑性混凝土防滲墻技術在水庫施工中的應用[J].企業科技與發展，2007(12)：152-153.

1007-7596(2017)07-0076-04

2017-06-16

金一鴻(1970-)，男，黑龍江林口人，工程師。

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