基于數(shù)值模擬的土工膜防滲壩變形響應(yīng)研究

楊 威

（廣東中灝勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 廣州 510700）

1 引言

隨著我國水利工程建設(shè)的快速發(fā)展,水電站大壩的數(shù)量和規(guī)模都發(fā)生了快速的增長,但某些土石壩由于設(shè)計(jì)及施工原因?qū)е聺问录r(shí)有發(fā)生[1],如Teton 寬堆石壩潰決、Hyttejuvet 土石壩異常滲漏等工程災(zāi)害。

對(duì)于土石壩而言,采取良好的防滲措施是壩體安全運(yùn)營的關(guān)鍵問題。隨著新材料的快速發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn),復(fù)合土工膜有很多優(yōu)點(diǎn),如防水性能良好、變形能力強(qiáng)和施工簡單等。作為土石壩的防滲材料具有無可比擬的優(yōu)勢[2-4]。徐穎等[5]基于現(xiàn)場監(jiān)測資料,研究了復(fù)合土工膜斜墻防滲砂礫石壩的滲流安全監(jiān)控指標(biāo),結(jié)果表明,良好的防滲措施是壩體安全運(yùn)營的基礎(chǔ)。桂長興[6]研究了土工膜防滲的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn),并指出了土工膜防滲的優(yōu)點(diǎn)。魏繼中等[7]基于數(shù)值模擬方法,開展了土石壩的有限元滲流模擬,詳細(xì)地分析了復(fù)合土工膜的滲透機(jī)理,結(jié)果表明,土工膜防滲技術(shù)對(duì)于解決中小型土石壩滲流是可靠的。蔣善平等[8-10]基于模型試驗(yàn),研究了防滲膜-墊層料界面力學(xué)特性,結(jié)果表明,聚合物透水混凝土防滲性能良好,比較適合作為高堆石壩防滲土工膜的透水墊層。本文針對(duì)壩面使用復(fù)合土工膜作為防滲措施的某石渣壩,基于數(shù)值模擬,建立三維分析模型,研究蓄水前后壩體和壩面土工膜的變形響應(yīng)。

2 工程概況數(shù)值模型

研究區(qū)水庫為中型水庫,壩面采用復(fù)合土工膜進(jìn)行防水。其中壩高、頂長及頂寬分別為26.8 m、131 m 和6 m。壩體由石渣料砌筑而成,上下游坡比分別為1∶3.5 和1∶3.0。馬道以下為排水塊體,排水體上下游坡比分別為1∶1.5 和1∶2.0。防滲墻下設(shè)混凝土止水帷幕,本文所分析的壩體典型斷面見圖1。

圖1 石渣壩典型剖面圖

建立數(shù)值模型見圖2,其中單元格合計(jì)60045 個(gè),節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)合計(jì)62670。模擬過程主要包括：填筑施工、防水土工膜鋪設(shè)以及蓄水過程。其中填筑施工主要是模擬地基、圍堰、壩體、土工膜鋪設(shè)以及蓄水過程,主要分為18 個(gè)施工步驟進(jìn)行。其中第一級(jí)為地基施工,2～7 級(jí)為圍堰施工,8～16 級(jí)為壩體填筑施工,17 級(jí)為防水土工膜填筑,18 級(jí)為蓄水模擬。

圖2 有限元模型

數(shù)值模擬計(jì)算中,為了保證計(jì)算效率,需做一定的假設(shè),本文假定石渣料為非線性材料,其本構(gòu)模型按照鄧肯E-B 模型確定。防滲墻為C25 和C20 混凝土材料。基巖假定為線彈性材料。由于復(fù)合土工膜的厚度比較小,如果采用實(shí)體單元非常難模擬,本文采用平面應(yīng)力單元模擬,且假定土工膜滿足線彈性本構(gòu)模型。廠家給出的土工膜的參數(shù)具體為：橫向和縱向彈模分別為9.60 MPa 和7.62 MPa,泊松比分別為0.32和0.35。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)最終給出了模擬所用材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)匯總

3 結(jié)果與分析

3.1 壩體變性特性

圖3 和圖4 匯總得到了竣工期和正常蓄水期大壩變形等值線圖。規(guī)定水平變形以向上游方向?yàn)檎怀两狄韵蛏蠟檎D3（a）表明,竣工期壩體水平位移最大值出現(xiàn)于上游1/3 壩高處,而蓄水后壩體水平位移最大值出現(xiàn)于下游1/3 壩高處,證明水壓力改變了壩體水平變形,且隨著水壓力的施加,向上游的水平變形減小,而向下游水平變形增大。總之,水壓力對(duì)上游壩體的影響要比下游更為明顯；圖3（b）表明,壩體的沉降變形最大值主要出現(xiàn)與壩體中部位置。圖4（a）和圖4（b）表明,蓄水期壩體的水平位移和沉降趨勢與竣工期基本相同,不再贅述。表2 結(jié)果表明,蓄水后,水壓力對(duì)沉降變形影響較小,壩體沉降最大值由-22.6 cm 增大至-22.9 cm,對(duì)應(yīng)的沉降率為0.84%、0.85%。

表2 壩體變形最大值

圖3 竣工期壩體位移等值線分布圖

圖4 蓄水期壩體位移等值線分布圖

此外,竣工期和正常蓄水位下壩體大主應(yīng)力分布合理,兩種情況下極值都在壩體底部。當(dāng)施加水壓力時(shí),上游壩體大主應(yīng)力等值線隨高程的降低而上移,此外,水壓力對(duì)下游壩體大主應(yīng)力分布影響比對(duì)上游小的多。竣工期,壩體大小主應(yīng)力的最大值分別為0.49 MPa、0.21 MPa；蓄水后,主應(yīng)力極值分別為0.50 MPa 和0.24 MPa。證明,水庫蓄水對(duì)壩體安全產(chǎn)生積極的影響,且在兩種工況下壩體的應(yīng)力水平極值均小于0.8,壩體不會(huì)出現(xiàn)剪切破壞。

3.2 復(fù)合土工膜變形特性

數(shù)值模擬前期,對(duì)復(fù)合土工膜進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),最終得到土工膜的橫向抗拉強(qiáng)度為21.5 kN/m,縱向抗拉強(qiáng)度分別為19.4 kN/m,相應(yīng)的伸長率分別為65.1%、83.9%。圖5 匯總得到正常蓄水位下,土工膜變形等值線分布圖,結(jié)果表明,由于土工膜是在壩體填筑完成后鋪設(shè)的,因此,土工膜在竣工期所受荷載為0,其變形也基本為0。竣工后,由于壩體受水壓力的作用,土工膜和壩體幾乎發(fā)生相同大小的變形。其中土工膜的變形主要為向下的沉降和向下游的水平變形（圖5（a）和圖5（b））,其中,最大沉降約為6.8 cm,發(fā)生的位置為水壓力最大的區(qū)域。此外,土工膜軸向位移總體由河兩岸向河床部位變形,最大軸向位移發(fā)生在下方,最大值為1.3 cm（圖5（c））。

圖5 正常蓄水位下復(fù)合土工膜變形等值線分布

圖6 匯總得到了正常蓄水位下土工膜的單位寬度拉應(yīng)力等值線分布規(guī)律,結(jié)果表明,土工膜僅在下半部分受拉應(yīng)力,其極值為0.5%,位置在壩面底部右側(cè)。產(chǎn)生的主要原因是由于邊界約束導(dǎo)致的受拉。此外,在正常蓄水位下,復(fù)合土工膜所受到的最大縱向單位拉應(yīng)力為1.05 kN/m（圖6（b））,最大橫向單寬拉力為1.38 kN/m（圖6（a））,橫向和縱向的安全系數(shù)分別為18.84 和15.57,均滿足規(guī)范要求的大于5 的規(guī)定,土工膜是可靠的。

圖6 正常蓄水位土工膜拉應(yīng)力等值線分布

4 結(jié)論

本文基于有限元數(shù)值手段開展了土工膜防滲壩變形響應(yīng)研究,主要分析了壩體和復(fù)合土工膜的變形特性,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）蓄水期和竣工期相比,壩體水平位移發(fā)生明顯變化,其中,向上游的位移從7.8 cm 減小到4.0 cm；而向下游的水平位移從-6.7 cm 增大至-7.2 cm；此外,壩體的沉降變化不明顯,蓄水前后沉降的最大值分別為-22.6 cm 和-22.9 cm。

（2）相對(duì)來說,蓄水導(dǎo)致的水位上升對(duì)壩體的安全是有積極影響的,蓄水后壩體的應(yīng)力水平極值從0.78 可減小至0.73,而大主應(yīng)力極值和小主應(yīng)力極值變化較小。

（3）水平荷載是土工膜產(chǎn)生變形的主要原因,蓄水后,土工膜與壩面變形基本相同。此外,單位寬度拉力最大值發(fā)生于壩面底部右側(cè)；土工膜橫向和縱向的安全系數(shù)高達(dá)18.84 和15.57,均滿足規(guī)范要求的大于5 的規(guī)定,可保證土工膜安全運(yùn)營。