基于典型斷面有限元模型的水庫加固工程塑性混凝土防滲墻性能研究

溫林山

(韶關市華源水電建設有限公司,廣東 韶關 512026)

0 引 言

2008年以來,混凝土防滲墻逐漸在國內得到較大發展,部分混凝土防滲工程建設處于世界領先水準[1-2]。但剛性混凝土防滲墻自身存在一定局限性,這集中體現在其具有的超高彈性模量上,如一般的剛性混凝土防滲墻的彈性模量高達10 000MPa[3-4]。高彈性模量使該類防滲墻與其周圍土體難以保持變形協調,因而防滲墻頂及其側面的受力會相對增加,導致墻體損壞的風險增加,也威脅著水壩的安全[5]。塑性混凝土由于采用黏土或膨潤土替代防滲墻中部分水泥用量,使其具備了低彈性模量同時高滲透性的特點[6]。此外,由于塑性混凝土采用較低含量的水泥材料,其適應周圍土體變形能力增強,因此具有較高的抗裂能力。從經濟效益上考慮,由于塑性混凝土原材料可以就地取材,因此效益更高。鑒于此,本文基于有限元法,分析不同配合比下塑性混凝土防滲墻的抗壓性能。

1 基于ABAQUS的塑性混凝土防滲墻性能分析

1.1 防滲墻加固施工分析

防滲墻屬于地下連續防滲墻體。在墻體上鑿孔或挖孔后,待填充的防滲材料將被澆筑于孔中,從而得到防滲墻。塑性混凝土防滲墻屬于應用較廣的一種防滲墻。在原材料的用量上,塑性混凝土防滲墻中,水泥含量較低,而膨潤土和黏土等含量較高,這種配比特點可使其具備較好的抗滲性能以及抗震性能[7]。圖1為水利工程中防滲設計的主要內容。

圖1 防滲設計的主要內容

從圖1可以看出,防滲設計首先需要進行墻體材料和墻體厚度的選取,然后進行滲流計算以及結構計算,最后確定防滲墻與其他建筑的連接方式,并對之進行質量監測。防滲墻厚度設計重點在于防滲耐久性設計。對于防滲墻而言,其耐久性水平主要與防止滲流侵蝕以及防止化學溶蝕有關,而這兩種對墻體的破壞效應與水力梯度緊密相連。因此,防滲墻厚度最終取決于水力梯度大小[8]。一般而言,水力梯度取值在50～60之間。墻體深度則取決于土石壩類型,當土石壩非新建類型而是需要除險加固時,墻體深度不僅要考慮壩基部分,還需要將壩體部分考慮在內。

造孔施工準備是防滲墻施工的重點。防滲墻的性能好壞由槽孔精度直接決定,所以造孔成槽工序將在墻體設計過程中占據50%的施工期限。為了獲得良好的造孔質量,槽孔的定位放樣需要按照設計方案嚴格執行,且需要將導向槽置于槽孔上方,以實現對槽孔方向的調控[9]。此外,為了提升工程效率,挖槽時需要進行分段處理,且對于每一個槽段,應分出主孔和副孔。

1.2 塑性混凝土抗壓強度分析

塑性混凝土由水泥、黏土、膨潤土等原材料構成。原材料使用量的差異帶來混合比的不同,進而使塑性混凝土的力學性質發生變化。本研究旨在考察不同混合比下,塑性混凝土隨每種原材料含量變化的力學參數變化規律。實驗儀器液壓式壓力測試機主要由液壓機、測力計以及傳感器組成。液壓機用于對試件施加外壓;測力計用于顯示試驗力的大小;傳感器包含記錄荷載數據的壓力傳感器以及記錄試件位移變化的位移傳感器。參考相關技術參數,實驗時最大試驗力取600kN,試驗力取值范圍240～600kN,壓力示數相對誤差應低于1%,壓盤間距500mm。圖2為塑性混凝土坍落度試驗示意圖[10]。

圖2 坍落度試驗示意圖

在進行試件坍落度試驗之前,坍落度桶需要保持干凈和一定濕度。將坍落度桶放在鋼板上,并與鋼板緊密接觸。之后,塑性混凝土試件分3層裝進漏斗,且需要保持各層試件體積相當。試驗中,還需要使用一根金屬棒,在坍落度桶中進行插搗操作。插搗操作完成后,需要將坍落度桶放在試件旁邊,兩者頂部高度差即為坍落度,單位為mm。試件擴散完成后,對應的直徑為擴展度,單位為mm。立方體抗壓強度值及圓柱體抗壓彈性模量計算表達式如下:

(1)

式中:F為試件臨近損壞時對應的荷載大小,N;A為試件受力面積,mm2;pcc為立方體抗壓強度值,MPa。Ec為靜力作用下的抗壓彈性模量,MPa;F2、F1分別為40%占比的試件最大荷載以及20%的試件最大荷載,N;ΔL為應力F1增加到F2過程中試件形變量,mm;L為標距,mm。

立方體抗壓強度試驗以及圓柱體抗壓彈性模量試驗均是通過對試件施加荷載來測量試件的形變大小,區別在于前者使用的是立方體試件,后者采用的是圓柱體試件。

1.3 基于ABAQUS有限元軟件的非線性分析

線性有限元分析要求土體材料的應力和變形曲線按照虎克定律變化,同時要求其變形位移微小,并處于理想約束條件。但塑性混凝土屬于非線性材料,其應力應變曲線屬于非線性變化。不僅如此,荷載大小的改變、環境因素的改變均會帶來非線性因素。鑒于此,本研究選用具備較強非線性處理功能的有限元軟件ABAQUS進行數值分析。該軟件包含兩個主求解器模塊,分別是ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。圖3為非線性分析的3種類型。

圖3 非線性分析的3種類型

從圖3可知,非線性問題包含幾何非線性、邊界非線性以及材料非線性。其中,幾何非線性是指在大撓度或者大彈跳的情況下,材料由于位移量過大而明顯存在的非線性問題。幾何非線性根據應變大小,可分為位移較大同時應變較大與位移較大但應力較小兩種情況。本研究選用ABAQUS/Standard靜力分析步中的nelgon開關,來處理幾何非線性問題。邊界非線性源自接觸面的不斷移動,一旦接觸面因頻繁移動而彼此分離,那么模型結果將無法獲得收斂。因此,本研究將采用六自由度的模型,以求獲得更高的穩定性。材料非線性是指由材料自身屬性或者溫度變化等因素帶來的非線性,采用鄧肯張E-B本構模型來模擬材料非線性。鄧肯張E-B本構模型數學表達式如下:

(2)

式中:Et為切線變形模量;K、n分別為切線模量基數和切模量指數;c為凝聚力;φ、Rf分別為內摩擦角和損壞比例;Eur為切線彈性模量;Kur、nur為試驗系數;Bt為體積彈性模量系數;m為體積模量指數;pa為大氣壓。

2 水庫加固工程塑性混凝土防滲墻性能結果分析

2.1 工程概況

乳源瑤族自治縣病險山塘水庫除險加固工程(第一標段:大橋鎮),規劃建安工程費約2 000萬元,勘察設計費約110萬元,合計約2 110萬元。本標段包括大橋鎮共12個村50座病險山塘水庫除險加固,其中小(Ⅰ)型水庫2座,其余山塘水庫為小(Ⅱ)型,這50座山塘水庫是大橋鎮約3萬人的主要飲用水源之一。同時,還承擔著大橋鎮及周邊區域農田灌溉、攔洪蓄水和調節水流等重要功能,解決下游0.1467×104hm2農田灌溉用水,下游區的防洪標準可由10年一遇提高至50年一遇,并減少洪水威脅,對本區域環境具有積極的保護作用。

主要建設內容為:2座小(Ⅰ)型水庫的大壩采用塑性混凝土防滲墻加固,防滲墻布置于壩頂上游坡一側,距壩軸線2m。防滲墻總長度133.35m,厚度為0.6m,墻底進入弱風化巖不少于1m。防滲墻施工后,重建C30鋼筋混凝土防浪墻,重建壩頂路面。輸水隧洞加固是先對現狀鋼管周邊進行灌漿,孔徑52mm,每排6孔,排距3.0m,孔深1m,灌漿壓力初定0.5MPa,灌漿完成后,再進行套管灌漿,新管直徑1.0m,壁厚10mm,長度110m。最后,對新鋼管與現有鋼管間灌漿填充。小(Ⅱ)型山塘水庫進行壩坡混凝土護面加固,壩頂新建路面,完善壩坡排水設施,重建或維修溢洪道、交通橋、放水涵、輸水底涵等。加固完成后,能充分發揮這批山塘水庫的防洪、灌溉、供水、環保等功能。

2.2 塑性混凝土抗壓強度結果分析

為了考察水泥、黏土和膨潤土含量變化下塑性混凝土強度變化規律,本研究在原材料用量上設定5個等級。對于水泥原材料,用量分別為120、140、160、180和200kg/m3。對于黏土原材料,用量分別為60、80、100、120和140kg/m3。對于膨潤土原材料,用量分別為0、60和120kg/m3。圖4為不同水泥用量下的立方體抗壓強度和圓柱體抗壓強度變化曲線。

圖4 不同水泥用量下立方體抗壓強度和圓柱體抗壓強度變化曲線

從圖4可知,隨著水泥含量從120kg/m3增加至200kg/m3,無論是立方體抗壓強度還是圓柱體抗壓強度均呈遞增趨勢,但抗壓強度增長幅度則呈遞減趨勢。當水泥含量為140kg/m3時,7d齡期和28d齡期兩種抗壓強度增長率均高于30%。對于7d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強度最低為1.3MPa,最高為4.4MPa;其圓柱體抗壓強度最低為1.1MPa,最高為3.6MPa。對于28d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強度最低為2.9MPa,最高為6.0MPa;其圓柱體抗壓強度最低為2.3MPa,最高為4.9MPa。

圖5為不同黏土用量下立方體抗壓強度和圓柱體抗壓強度變化曲線。

圖5 不同黏土用量下立方體抗壓強度和圓柱體抗壓強度變化曲線

從圖5可知,隨著黏土含量從60kg/m3增加至140kg/m3,無論是立方體抗壓強度還是圓柱體抗壓強度均呈先減后趨于水平的變化趨勢。當黏土用量從60kg/m3增加至80kg/m3時,7d齡期和28d齡期的塑性混凝土兩種抗壓均下降超過10%。對于7d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強度最低為2.7MPa,最高為3.0MPa;其圓柱體抗壓強度最低為2.1MPa,最高為2.6MPa。對于28d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強度最低為5.0MPa,最高為6.2MPa;其圓柱體抗壓強度最低為4.2MPa,最高為5.3MPa。

圖6為不同膨潤土用量下立方體抗壓強度和圓柱體抗壓強度變化曲線。

圖6 不同膨潤土用量下立方體抗壓強度和圓柱體抗壓強度變化曲線

從圖6可知,隨著膨潤土含量從0kg/m3增加至120kg/m3,無論是立方體抗壓強度還是圓柱體抗壓強度均呈遞減趨勢。當膨潤土用量從0kg/m3增加至60kg/m3時,7d齡期和28d齡期的塑性混凝土兩種抗壓均下降超過15%;當膨潤土用量從60kg/m3增加至120kg/m3時,7d齡期和28d齡期的塑性混凝土兩種抗壓均下降超過40%。對于7d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強度最低為1.0MPa,最高為3.0MPa;其圓柱體抗壓強度最低為0.86MPa,最高為2.6MPa。對于28d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強度最低為1.7MPa,最高為3.6MPa;其圓柱體抗壓強度最低為1.47MPa,最高為3.1MPa。

3 結 論

塑性混凝土因其良好的防滲性能以及協調變形能力,在水利工程中得到廣泛應用。為了研究不同原材料配合比下塑性混凝土的防水性能,本文通過有限元法對其進行了數值模擬分析。結果顯示,當水泥含量從120kg/m3增至200kg/m3時,塑性混凝土7d圓柱體抗壓強度在1.1～3.6MPa之間變化,28d圓柱體抗壓強度在 2.3～4.4MPa之間變化。當黏土含量在60kg/m3增至140kg/m3時,塑性混凝土7d齡期圓柱體抗壓強度在2.1～2.6MPa之間變化,28d齡期圓柱體抗壓強度在4.2～5.3MPa之間變化。表明所提方法能夠較好進行抗壓強度計算,因此具有一定應用潛力。