防滲墻彈性模量及壩高對(duì)墻體力學(xué)特征影響分析

陳 淼

(濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心,濟(jì)南 250103)

1 概 述

水利水電工程中,根據(jù)彈性模量的差異,防滲墻可分為剛性防滲墻和塑性防滲墻兩種。其中,剛性防滲墻具有剛度大、抗變形能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但對(duì)于與壩體的協(xié)同變形方面較差。而塑性防滲墻剛度較小,但可以與大壩協(xié)調(diào)變形,從而避免較大的應(yīng)力集中。

針對(duì)不同剛度的混凝土防滲墻,許多學(xué)者開展了相關(guān)研究。孫明權(quán)等[1]采用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,系統(tǒng)研究了影響混凝土防滲墻內(nèi)力及變形的因素。結(jié)果表明,墻端約束形式、基巖強(qiáng)度及壩體材料均會(huì)對(duì)混凝土防滲墻墻體位移和應(yīng)力產(chǎn)生影響,其中材料參數(shù)是影響防滲墻變形的主要原因。蔣凱樂等[2]基于原位試驗(yàn)及數(shù)值模擬,系統(tǒng)研究了塑性混凝土防滲墻土反力系數(shù)的計(jì)算方法。結(jié)果表明,提出的計(jì)算方法可以準(zhǔn)確反演塑性混凝土防滲墻土壓力系數(shù),并在實(shí)際工程中得到驗(yàn)證。高江林[3]綜合采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬,分析了防滲墻與壩體相互作用。結(jié)果表明,剛性混凝土墻主要承受拉應(yīng)力,而塑性混凝土防滲墻主要承受壓應(yīng)力;壩體的填筑材料、壩基透水性能及基巖強(qiáng)度等因素對(duì)剛性混凝土墻的應(yīng)力影響明顯,相較于塑性混凝土防滲墻影響更為顯著。馬曉華等[4]基于Adina中多孔介質(zhì)材料模型,系統(tǒng)研究了壩體土體和防滲墻模量變化對(duì)防滲墻應(yīng)力變形的影響。結(jié)果表明,當(dāng)防滲墻的彈模小于5GPa時(shí),墻體應(yīng)力隨防滲墻彈性模量的變化不敏感;反之,墻體的應(yīng)力分布較敏感。吳為健等[5]基于室內(nèi)試驗(yàn),研究了影響塑性混凝土防滲墻滲透系數(shù)的因素。結(jié)果表明,隨著水膠比的增大,塑性混凝土的滲透系數(shù)逐漸增大,而隨著膨潤土摻量的增大而減小。當(dāng)砂率由70%增大至90%時(shí),塑性混凝土的滲透系數(shù)會(huì)有一定程度的增大。

本文建立數(shù)值計(jì)算模型,系統(tǒng)研究塑性混凝土防滲墻在不同蓄水工況下的內(nèi)力和變形規(guī)律。研究結(jié)果可為大壩防滲墻的設(shè)計(jì)及加固提供參考。

2 工程概況與數(shù)值模型

2.1 工程概況

本文研究的壩體為典型的黏土心墻砂殼壩,最大壩高35m,壩寬10m,大壩底部寬度120m。根據(jù)鉆孔資料揭示,巖土體由上至下分別為卵石層、礫石土層和弱風(fēng)化粉砂巖基巖層。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查表明,由于大壩運(yùn)營時(shí)間較長,現(xiàn)場存在不少安全隱患,如大壩局部有明顯開裂。為了保證水庫大壩的安全運(yùn)營,擬采用塑性混凝土防滲墻進(jìn)行加固處理。其中,防滲墻厚度0.8m。大壩典型斷面見圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

2.2 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

本文采用數(shù)值計(jì)算軟件,并選取典型斷面進(jìn)行建模分析?？紤]結(jié)構(gòu)力學(xué)特征,采用平面應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格采用4節(jié)點(diǎn)等參單元,整個(gè)模型的網(wǎng)格總數(shù)32 230,節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)42 610。計(jì)算中,首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡,然后施加施工水位下的荷載作為初始應(yīng)力場。模型四周約束水平方向的位移,底部約束3個(gè)方向的位移。加載前,采用地應(yīng)力平衡進(jìn)行處理。模型網(wǎng)格采用8節(jié)點(diǎn)6單元網(wǎng)格。

為了模擬防滲墻和巖土體的相互接觸作用,在兩者交界面位置增加Goodman接觸單元。模型方向?yàn)?假定河水流向?yàn)閄軸,與河水流向垂直的為Y軸。數(shù)值模型計(jì)算中,巖土體材料均采用鄧肯-張模型,防滲墻和基巖層由于變形較小,因此采用線彈性本構(gòu)模型。材料物理力學(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 正常水位下防滲墻的內(nèi)力及變形

正常蓄水位下防滲墻內(nèi)力及變形分布規(guī)律見圖2。由圖2(a)可知,墻體的水平位移隨著高程的增大而先增大后減小。受水壓力及墻厚支撐條件的限制,防滲墻在高程15m位置處的水平位移達(dá)到最大,最大值為5.7mm?？傮w來看,墻體變形較小,穩(wěn)定性較高。由圖2(b)可知,墻體的水平位移受混凝土彈性模量的影響非常小。不同彈性模量下墻體的變形基本相同,最大變形處為15m位置,最大值為5.7mm。

圖2 正常蓄水位下防滲墻內(nèi)力及變形

3.2 不同彈模下防滲墻的應(yīng)力和變形

正常蓄水位工況下,混凝土彈性模量對(duì)防滲墻上下游主應(yīng)力影響規(guī)律見圖3。由圖3(a)可知,在正常蓄水位工況下,上游面最大主應(yīng)力隨著高程的增大而先增大后減小;在相同高程下,混凝土彈性模量越大,最大主應(yīng)力越大。當(dāng)混凝土彈性模量小于5GPa時(shí),最大主應(yīng)力增長速率明顯小于混凝土彈性模量大于5GPa時(shí)的增長速率,且出現(xiàn)較明顯的拉應(yīng)力。但總體來講,最大拉應(yīng)力小于混凝土極限抗拉強(qiáng)度。由圖3(b)可知,在正常蓄水位工況下,下游面最小主應(yīng)力隨著高程的增大而先增大后減小;在相同高程下,混凝土彈性模量越大,最小主應(yīng)力越大。當(dāng)混凝土彈性模量小于5GPa時(shí),最小主應(yīng)力增長速率明顯小于混凝土彈性模量大于5GPa時(shí)的增長速。

圖3 正常蓄水位下混凝土彈性模量對(duì)防滲墻上下游主應(yīng)力影響規(guī)律

校核水位工況下,混凝土彈性模量對(duì)防滲墻上下游主應(yīng)力影響規(guī)律見圖4。由圖4(a)可知,在校核水位工況下,上游面最大主應(yīng)力隨著高程的增大而先增大后減小;在相同高程下,混凝土彈性模量越大,最大主應(yīng)力越大。當(dāng)混凝土彈性模量小于5GPa時(shí),最大主應(yīng)力增長速率明顯小于混凝土彈性模量大于5GPa時(shí)的增長速率。由圖4(b)可知,在校核水位工況下,下游面最小主應(yīng)力隨著高程的增大而先增大后減小;在相同高程下,混凝土彈性模量越大,最小主應(yīng)力越大。當(dāng)混凝土彈性模量小于5GPa時(shí),最小主應(yīng)力增長速率明顯小于混凝土彈性模量大于5GPa時(shí)的增長速?？傮w來說,混凝土彈性模量5GPa時(shí),屬于臨界值。當(dāng)小于該值時(shí),防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)變化不顯著;當(dāng)大于該臨界值時(shí),防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)顯著發(fā)生改變。

圖4 校核水位下混凝土彈性模量對(duì)防滲墻上下游主應(yīng)力影響規(guī)律

根據(jù)圖3、圖4的結(jié)果分析可知,混凝土彈性模量5GPa時(shí),屬于臨界值。當(dāng)小于該臨界值時(shí),防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)變化不顯著;當(dāng)大于該臨界值時(shí),防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)顯著發(fā)生改變。混凝土剛度過大,一方面可以提高防滲墻墻體強(qiáng)度,但也會(huì)導(dǎo)致局部出現(xiàn)受拉區(qū)。實(shí)際工程中,應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件及壩型等,綜合選用防滲墻的彈性模量。

3.3 壩高與彈性模量對(duì)防滲墻內(nèi)力及變形的影響

混凝土彈性模量分別為1、2、5和10GPa以及大壩高度為20和50m工況下,防滲墻上下游的內(nèi)力與變形特征見表2。由表2可知,不同壩高對(duì)應(yīng)的不同強(qiáng)度混凝土,均可以滿足規(guī)范規(guī)定的安全性要求。根據(jù)分析可知,壩體越高,可盡量選擇彈性模量越小的混凝土;壩體越低,可選擇彈性模量較大的混凝土。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),當(dāng)大壩高度小于20m時(shí),混凝土彈性模量可選用小于6GPa;當(dāng)大壩高度大于50m時(shí),混凝土彈性模量應(yīng)盡量小于5GPa。

表2 彈性模量和壩高對(duì)防滲墻內(nèi)力及變形影響

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬,系統(tǒng)研究了混凝土防滲墻在不同蓄水工況下,混凝土彈性模量對(duì)防滲墻的內(nèi)力和變形影響規(guī)律。結(jié)論如下:

1)墻體的水平位移隨著高程的增大而先增大后減小;墻體的水平位移受混凝土彈性模量的影響非常小。不同彈性模量下墻體的變形基本相同,最大變形處為15m位置,最大值為5.7mm。

2)混凝土彈性模量5GPa時(shí),屬于臨界值。當(dāng)小于該臨界值時(shí),防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)變化不顯著;當(dāng)大于該臨界值時(shí),防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)顯著發(fā)生改變。混凝土剛度過大,一方面可以提高防滲墻墻體強(qiáng)度,但也會(huì)導(dǎo)致局部出現(xiàn)受拉區(qū)。實(shí)際工程中,應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件及壩型等,綜合選用防滲墻的彈性模量。

3)壩體越高,應(yīng)選擇彈性模量較小的混凝土;壩體越低,可選擇彈性模量較大的混凝土。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),當(dāng)大壩高度小于20m時(shí),混凝土彈性模量可選用小于6GPa;當(dāng)大壩高度大于50m時(shí),混凝土彈性模量應(yīng)盡量小于5GPa。