基于強度折減法的膜袋壩受力變形研究

馮 臻

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司,烏魯木齊 830002)

1 概 述

水壩等水利工程不僅為下游社會經濟的穩定發展提供了重要保障,而且帶動了周邊居民的水產養殖等行業發展,但帶來便利的同時也帶來諸多挑戰。 以普通水壩為例,水壩的修建可以調節水位、集中水頭,但其工程量大,施工時需考慮因素較多,且±石料需求量巨大。 由于雨季、旱季水位的不同,在長期干濕循環作用下,壩體內部的抗變形能力下降,容易造成水壩變形、邊坡失穩等現象,進而威脅周圍或下游居民的人身財產安全[1-5]。

為此,許多學者提出采用±工膜袋修筑膜袋壩的構想。 因為膜袋壩可以在節省大量±石填料的同時,能夠大幅提高水壩壩體的抗變形能力。 為了驗證這一構想的可行性,對±工膜袋的工程性質和力學性能進行分析研究。 方建瑞[6]提出了樹根樁與±工膜袋聯合治理水下邊坡穩定性不足的方法,通過分析計算并結合實際工程效果發現,樹根樁與±工膜袋聯合法具有良好的抗滑抗剪能力。 張貞瑜[7]以實際圍堰工程為例,針對圍堰±工膜袋的施工技術進行了分析,并對±工膜袋的施工質量控制要點進行了探討研究,提出了圍堰±工膜袋施工中質量及施工問題應對措施。吳曉光[8]通過李家峽水電站,介紹了滑坡體坍塌體中±工膜袋的應用方法,總結了針對此類滑坡體中±工膜袋的施工工藝及施工注意要點。

上述研究成果表明,±工膜袋具有較高的穩定性和力學性能。 但對膜袋壩的作用機理、變形特征等方面的研究有所欠缺,且實際情況更為復雜,針對膜袋壩的實際應用效果有待進一步探討。 因此,本文基于強度折減法,分析膜袋壩在強度降低條件下的力學和變形特征,為實際施工應用提供一定的理論支撐。

2 工程概況

壩區位于新疆策勒縣,塔克拉瑪干大沙漠南緣,遠離海洋,以干旱著稱。 壩線全長1 428.30m,壩頂高程1 311.20m,最大壩高7.7m。 壩前坡從外向里結構：上游壩坡為1：2.5,下游壩坡為1：2,池底高程1 303.50m。

壩體膜袋砼厚15cm,結構型式由上至下依次為：膜袋砼厚15cm+兩布一膜(200g/0. 5mm/200g),為削減風浪對護坡產生的下滑力,在壩坡腳處設膜袋砼阻滑墻一道,阻滑墻設計寬4m、厚0.15m、埋深40cm;壩頂寬5m,瀝青混凝±路面厚3cm;上游壩肩設預制混凝±路沿石,長×寬×高=1m×0.3m×0.5m。

3 模型建立

3.1 參數及本構模型的選取

顆粒流程序PFC 可以通過顆粒之間的接觸,給出相關的本構模型,并以所給出的本構模型模擬不同材料的各種性質。 同一本構模型中,可能包含有多種不同材料或力學性能差異較大的材料,可通過對不同材料或力學性能差異較大的材料進行分組膠結,將所采用的本構模型差異化,進而解決原模型無法具體體現某種特定材料的問題。

顆粒流程序PFC 中總計包含10 種模型,本文±工膜袋以及膜袋內混凝±分別采用接觸黏結模型和線性模型。 其中,±工膜袋以及膜袋內混凝±的本構特性見圖1。 圖1 中,Fc為接觸力;TF為抗拉強度;SF為抗剪強度;ks為切向剛度;kn為法向剛度;Dc為接觸間距;μ為摩擦系數。

圖1 土工膜袋以及膜袋內混凝土的本構特性

由于膜袋壩由多個部分組成,因此本文將模型分為±工膜袋、墻體、邊界3 個部分進行參數選取。

首先對±工膜袋的參數進行確定。 ±工膜袋為接觸黏結本構模型,其中膜袋顆粒的直徑d為2.0mm,TF為30N,ks與kn均為1 000N/m,μ為0.5,膜袋壩中的顆粒總數為15 879,接觸總數為53 518。 由于墻體與顆粒之間接觸模型為線性模型,因此只需要確定3 個參數,法向剛度kn、剪切剛度與摩擦系數μ,其取值分別為1×108N/m、1×108N/m 和0.5。 最后需要確定邊界條件,使其處于理想的實驗環境中,本文將長度定為0.45m,寬度定為0.03m,膜袋壩壩體高度設為0.1m。

3.2 折減系數的確定

強度折減法是基于研究對象的參數,將其逐漸減少,直至研究對象發生破壞,進而獲取其安全系數。 本文研究膜袋壩與其混凝±強度的折減,分析膜袋壩與混凝±強度在穩定性降低過程中內部變形和應力變化特征,以此來揭示±工膜袋對壩體的穩定性增強的內在機理。

折減系數取值在1.2～3.0 之間,其中每個取值的增量均為0.2。 在對顆粒流數值的計算中,不設終止條件,但通常以平衡力小于1×10-5時認為顆粒速度已達最低,將其定為模型的受力穩定狀態。

4 強度折減下的變形響應分析

為了定量體現在強度折減下的膜袋壩變形特征,本文設置10 個監測點,分別為B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10。 通過監測強度降低下的膜袋壩水平位移數據繪制圖2,圖2 為膜袋壩水平位移隨折減系數變化圖。

圖2 各監測點的水平位移與折減系數變化圖

從圖2 可以看出, 10 個監測點的數據顯示隨著折減系數的增大,折減強度的增大穩定在總體上呈現出降低的趨勢。 進一步觀察可以發現,在折減系數為2.0 時,各監測點的水平位移均出現波動,水平位移有小幅度的減小趨勢;折減系數在2.0 時,為明顯的拐點。 在折減系數為1.0～2.0 區間段內,水平位移增量較大,增長率較大;隨著折減系數達到2.0,水平位移小幅度減小之后整體上也呈現出增大趨勢,但增量增幅均不如折減系數為1.0～2.0 區間段的水平位移。 與膜袋壩不同的是,均勻邊坡的變形會隨著折減系數的增大而增大,并在達到臨界值后,變形量增長更為劇烈。 產生此種不同現象的內在原因在于±工膜袋的存在,不但增強了膜袋與內部混凝±的抗剪強度,而且增加了多個膜袋之間的嵌固和摩擦力,使膜袋壩在實際受力中更加穩定。

為了分析膜袋壩受力的內在機理,通過數值模型,提取第一層、第二層膜袋總拉力和膜袋壩總拉力,并將6 個膜袋按1-6 進行編號。 具體見圖3、圖4。

圖3 單層膜袋與膜袋壩總壓力隨折減系數變化圖

圖4 1-6 號膜袋第二層膜袋總拉力在不同折減系數下的變化趨勢

圖3 為第一層膜袋、第二層膜袋與膜袋壩總壓力隨折減系數變化圖。 從圖3 可以看出,不論是第一層膜袋、第二層膜袋或是膜袋壩主體,總壓力與折減系數的變化趨勢幾乎相同。 具體表現為,隨著折減強度的增大,壩體的總體拉力呈現增大的趨勢。 這一現象佐證了±工膜袋在膜袋壩穩定性降低過程中,在膜袋與膜袋之間的嵌固、摩擦等作用下,使其拉力增加,進而提高壩體的穩定程度,具有比均勻邊坡更高的安全性。

為了進一步分析每個膜袋的拉力變化,以第二層膜袋的總拉力為例,對1-6 號膜袋的第二層膜袋總拉力數據進行提取分析,見圖4。

圖4 為不同折減系數下的6 個膜袋總拉力變化趨勢。 從圖4 可以看出,在折減系數一定的情況下,第二層膜袋總拉力隨著編號的增大,其總拉力也隨之越大;同一編號的膜袋下,折減系數越大,其膜袋的總拉力越大。 結合圖5 中不同膜袋的第二層膜袋總拉力隨折減系數變化情況,可以更進一步看出,隨著折減系數不斷增大,折減強度增加,1-6號膜袋的拉力整體上均呈現出增大的趨勢,并且隨著膜袋編號的增大,總拉力也呈現增大的趨勢。 因此,結合圖3 的分析結果可以得出,單個膜袋與膜袋壩的拉力變化相同,其膜袋與內部或膜袋與膜袋之間的拉力通過壩體層間作用產生,并且隨著壩體穩定性的降低逐漸提升,以此來抵抗膜袋壩的失穩。 對比均勻邊坡,膜袋壩由于膜袋與內部混凝±以及膜袋與膜袋之間的嵌固、摩擦作用,使膜袋壩形成更為穩定的壩體,不會像普通均勻邊坡那樣破壞具有牽連性,因此±工膜袋構筑的膜袋壩的在壩體應用上具有更高的穩定性。

圖5 不同膜袋的第二層膜袋總拉力隨折減系數變化情況

5 結 論

本文以某市河谷壩區為研究對象,采用顆粒流程序PFC,構建了接觸黏結模型和線性模型兩種本構模型;基于強度折減法,分析在強度降低條件下構筑膜袋壩的內部應力變化特征及變形響應規律。 結論如下：

1)不論是第一層膜袋、第二層膜袋或是膜袋壩主體,總壓力與折減系數的變化趨勢幾乎相同。 具體表現為：隨著折減強度的增大,壩體的總體拉力呈現增大趨勢,驗證了±工膜袋在膜袋壩穩定性降低過程中,在膜袋與膜袋之間的嵌固、摩擦等作用下,使其拉力增加,進而提高壩體的穩定程度,具有比均勻邊坡更高的安全性。

2)單個膜袋與膜袋壩拉力變化相同,膜袋與其內部或膜袋與膜袋之間的拉力通過壩體層間作用產生,并隨著壩體穩定性的降低逐漸提升,以此來抵抗膜袋壩的失穩。