土石壩防滲墻特性參數對壩體穩定性影響分析

白生貴

（吐魯番市清源水利水電勘測設計院有限公司，新疆 吐魯番 838000）

1 引言

防滲墻是一種有效的水力大壩的防滲手段，具有施工簡便和防滲性能好的優點，既有研究主要集中于防滲墻的防滲效果及滲流規律。崔熙燦等基于有限元數值模擬系統研究了瀝青混凝土心墻及壩基防滲墻應力及變形規律。崔宏偉基于數值模擬系統研究了大壩防滲墻不同的特征參數對壩體穩定性的影響。韓勇基于Geo-slope/seep 模塊建立數值計算模型，系統分析了土石壩防滲墻在不同深度下壩體內的滲流規律。鄒福華基于三維滲流原理，系統研究了地質構造影響下的滲透與應力變形規律。劉菊蓮基于ANSYS數值有限元研究了防滲墻對某水庫地下滲流場影響規律。張富有等基于隨機有限元系統研究了參數空間變異性下壩基防滲墻地震反應。

防滲墻特征參數是影響壩體穩定的的主要因素，因此，如何科學的選取防滲墻參數是目前研究的重點，基于此，建立數值計算模型，系統研究了彈性模量、心墻厚度及心墻位置對壩體穩定性的影響。研究可以在大壩除險加固中提供參考。

2 數值模型

2.1 模型概述

研究的土石壩為帶混凝土防滲墻的土石壩。該大壩的壩基分為三層，第一層為覆蓋層，厚度為5 m；第二層為強風化基巖層，厚度為10 m，第三層為弱風化基巖層，厚度為10 m。模型的邊界條件為防滲墻為完全不透水層，邊界為墻體。假定河水流向為X軸，與河水流向垂直的為Y軸。見圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

2.2 數值計算模型參數

根據研究內容及室內土工試驗，匯總得到文中數值計算中個材料參數的取值見表1 所示。其中巖土體計算本構假定為摩爾-庫倫本構，混凝土防滲墻采用各向同性線彈性本構模擬。

表1 材料物理力學參數匯總表

3 結果與分析

3.1 防滲墻彈性模量對壩體穩定性的影響

分別計算了防滲墻彈性模量為35、25、15 GPa 和1 GPa 工況下壩體的變形和內力分布規律見表2。圖2（a）為混凝土彈摸為15 GPa的結果匯總。表明，在該種工況下，壩體位移隨高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趨勢呈曲線增大，而y方向的位移基本為零。其中x 方向最大位移出現在墻頂的15 mm。圖2（b）表明，壩體第一主應力的變化隨壩體高程表現出折線增大的趨勢。最大第一主應力出現在高程為35 m的位置，最大值為0.10 MPa，但在高程為10 m 位置出現最大拉應力，最大值為-0.70 MPa。但該拉應力最大值小于混凝土強度值，壩體時穩定的。圖2（c）結果表明，壩體第三主應力隨高程變化趨勢基本與第一主應力變化趨勢相同。第三主應力的最大值出現在墻頂位置，最大值為-1 MPa，而在高程為10 m位置處，第三主應力發生突變，該處第三主應力的最大值為-0.70 MPa。第三主應力均為壓應力，但仍小于混凝土極限抗壓強度。綜合來看，混凝土防滲墻以受壓為主，當混凝土彈性模量為15～25 GPa時，壩體是安全的。

表2 彈性模量對壩體穩定性影響表

圖2 防滲墻模量對壩體穩定性的影響圖

3.2 防滲墻厚度對壩體穩定性的影響

分別計算了防滲墻厚度為0.40、0.60、0.80 m和1 m工況下壩體的變形和內力分布規律見表3 所示。圖2（a）為混凝土防滲墻厚度為0.60 m的結果匯總。表明，在該種工況下，壩體位移隨高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趨勢呈曲線增大，而y 方向的位移基本為零。其中x 方向最大位移出現在墻頂的18 mm。圖2（b）表明，壩體第一主應力的變化隨壩體高程表現出折線增大的趨勢。最大第一主應力出現在高程為35 m的位置，最大值為0.10 MPa，但在高程為10 m位置出現最大壓應力，最大值為-0.70 MPa。但該壓應力最大值小于混凝土強度值，壩體時穩定的。圖2（c）結果表明，壩體第三主應力隨高程變化趨勢基本與第一主應力變化趨勢相同。第三主應力的最大值出現在墻頂位置，最大值為-0.10 MPa，而在高程為10 m位置處，第三主應力發生突變，該處第三主應力的最大值為-0.70 MPa。綜合來看，防滲墻以受壓為主，且防滲墻的厚度越大，第三主應力的絕對值越小，大壩越安全。

表3 防滲墻厚度對壩體穩定性影響表

3.3 防滲墻位置對壩體穩定性的影響

分別計算了防滲墻位置為2、4、6 m和8 m工況下壩體的變形和內力分布規律。圖2（a）為防滲墻距離上游壩頂6 m 工況下的結果匯總。表明，在該種工況下，壩體位移隨高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趨勢呈曲線增大，而y 方向的位移基本為零。其中x方向最大位移出現在墻頂的20 mm。圖2（b）表明，壩體第一主應力的變化隨壩體高程表現出折線增大的趨勢。最大第一主應力出現在高程為35 m 的位置，最大值為0.10 MPa，但在高程為7 m位置出現最大拉應力，最大值為-0.90 MPa。但該拉應力最大值小于混凝土強度值，壩體是穩定的。圖2（c）結果表明，壩體第三主應力隨高程變化趨勢基本與第一主應力變化趨勢相同。第三主應力的最大值出現在墻頂位置，最大值為-1 MPa，而在高程為7 m位置處，第三主應力發生突變，該處第三主應力的最大值為-5.20 MPa。綜合來看，防滲墻距上游壩頂距離越小，第三主應力絕對值越小，壓應力越小，防滲墻越較安全。

4 結論

①當混凝土防滲墻的彈性模量為15 GPa時，壩體位移隨高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趨勢呈曲線增大，而y方向的位移基本為零。混凝土防滲墻以受壓為主，當混凝土彈性模量15～25 GPa時壩體安全。②壩體第一主應力和第三主應力隨高程變化表現出波動變化趨勢。隨防滲墻的厚度越大，第三主應力的絕對值越小，大壩越安全。③防滲墻距上游壩頂距離越小，第三主應力絕對值越小，壓應力越小防滲墻越穩定。