塑性混凝土防滲墻在截滲壩中的應用

張樹茂

(1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京 102628)

塑性混凝土防滲墻是一種柔性工程材料，與傳統的剛性混凝土防滲材料相比，具有彈性模量低、適應性強、耐久性高、抗滲性能好等特性[1]，同時施工過程中減少了水泥用量，降低了工程成本、簡化了施工工藝。由于具有這些優良特性，使得塑性混凝土在水利防滲工程中發揮了極為重要的作用[2-4]。據不完全統計，目前已經有60座水利工程使用塑性混凝土防滲墻[5]，成墻面積達80萬m2，但塑性混凝土防滲墻在尾礦庫截滲壩中應用較少，劉典忠[6]介紹了塑性混凝土在西藏甲瑪尾礦庫中的應用，但基本只介紹了施工工藝，并未對后續運行情況中應力變形進行分析，一旦墻體結構發生破壞，將會導致下游環境受到污染，嚴重影響人民的正常生活，后果不堪設想。本文采用有限元方法，研究了塑性混凝土防滲墻在靜動力作用下的應力特性以及變形特性，對其可靠性作出評價。

1 工程概況

位于9度地震區的某尾礦庫，庫區谷底為第四系泥石流堆積卵礫石含砂層。由于卵礫石層滲透系數大，尾礦庫投入運行后可能發生跑混、繞壩滲流或基底滲透坡降過大等情況，在初期壩下游壩腳外邊線約200 m處設置截滲壩一座，壩下設塑性混凝土防滲墻，最大深度達85 m。

2 計算原理

土體材料靜力計算采用Duncan E-B模型[7]。

Duncan E-B非線性應力與應變關系可以表達成下列增量形式：

{Δσ}=[D]{Δε}

(1)

Duncan E-B非線性模型的基本參數為切線彈性模量Et和切線體積模量Bt，分別由下列兩式計算：

Et=Ei(1-Rf·Sl)2

(2)

Bt=KbPa(σ3/Pa)m

(3)

式(2)中的Et為初始切線模量，Sl為應力水平，其計算表達式分別為:

Ei=KPa(σ3/Pa)n

(4)

(5)

(6)

對于卸載情況，用下列回彈模量代替切線彈性模量。

(7)

式(7)中：Eu r為試驗確定的回彈模量系數。

土體材料動力計算采用等效線性模型[8]。由于土體材料具有非線性特性，其動應力和動應變的關系曲線如圖1所示。

動剪切模量計算公式為：

(8)

圖1 土的動應力—應變關系Fig.1 The relation between dynamic stress and strain of soil

3 材料參數

3.1 靜力計算材料參數

靜力計算材料參數見表1。

3.2 動力計算材料參數

動力計算中防滲墻體材料參數見表2，截滲壩壩體材料參數及其動剪切模量和阻尼比與動剪應變幅的關系曲線分別見表3和圖2。

表1 靜力計算參數

表2 防滲墻計算參數

表3 壩體材料計算參數

圖2 動剪切模量和阻尼比與動剪應變的關系曲線Fig.2 The relation between dynamic shear modulus and damping ratio with shear strain

4 變形特性分析

靜動力工況下防滲墻和墻體外圍土體的水平位移以及豎向位移沿高程分布圖見圖3和圖4。

圖3 靜力工況下防滲墻及墻外土體位移圖Fig.3 Displacement of cutoff wall and the surrounding soil under static condition

圖4 動力工況下防滲墻及墻外土體位移圖Fig.4 Displacement of cutoff wall and the surrounding soil under dynamic condition

從圖中可以看出，靜力工況下，防滲墻水平位移以及豎向位移基本在0 cm左右，幾乎沒有發生變形，這是由于截滲壩距離尾礦壩較遠，尾礦庫筑壩以及排放尾礦不會對截滲壩下的垂直防滲結構造成影響。

動力工況下，在卵礫石地基中，動位移呈逐漸增大趨勢，這是由于卵礫石地基彈性模量相對較低，所以其變形稍微較大，最大水平動位移為0.72 cm，最大豎向動位移為0.3 cm。周圍土體的變形規律和防滲墻基本一致。

5 應力特性分析

靜動力工況下防滲墻沿高程應力分布情況見圖5和圖6。

圖5 防滲墻靜應力分布圖Fig.5 Static stress distribution of cutoff wall

圖6 防滲墻動應力分布圖Fig.6 Dynamic stress distribution of cutoff wall

從圖中可以看出，靜力工況下，由于截滲壩下垂直防滲結構受到尾礦筑壩以及排放尾礦的影響較小，主要受其自重影響，大小主應力分布基本呈線性趨勢，和其自重應力分布基本一致，大主應力最大值沒有超出其極限抗壓強度，同時也沒有出現拉應力。

動力工況下，防滲墻和墻外土體存在差值很小的錯位變形但兩者變形協調，這是由于塑性混凝土防滲墻與墻外土體一樣具有動力非線性，使得在地震作用下其動模量隨著動應變降低而與周圍土體的模量較為接近，而且地震越強烈，兩者之間差距越小，所以其動應力響應很小。

6 結論

通過以上分析，得到以下幾點結論：

1)塑性混凝土防滲墻墻體應力狀態良好、分布均勻，未出現拉應力，且剪應力較小，不會發生拉剪破壞現象。

2)塑性混凝土防滲墻與周圍土體變形協調、抗震性能較好，尤其是在強震區優勢更加明顯。

3)塑性混凝土防滲墻在尾礦庫防滲設計中應值得推廣，同時本文的計算方法可以為后續相關的計算分析提供借鑒。