混凝土彈性模量對混凝土防滲墻應力影響的數值分析

（遼寧省東水西調工程建設局沈陽市110003）

混凝土彈性模量對混凝土防滲墻應力影響的數值分析

羅東翔

（遼寧省東水西調工程建設局沈陽市110003）

近年來混凝土防滲墻作為一種重要方案用于土石壩的防滲處理，而低彈?；炷劣捎趯Σ痪鶆驊兊倪m應能力更強，得到廣泛應用。鑒于低彈?；炷猎陬愃瞥U加固工程中的重要性，擬對不同彈性模量對防滲墻的影響作計算和分析，得出該工程實例彈性模量的合理取值，以期對類似除險加固工程有一定借鑒作用。

Midas/GTS低彈?；炷练罎B墻數值模擬

1960年以來，對普通混凝土摻入一定黏土或膨脹土等材料的塑性混凝土（彈性模量小于1 000 MPa）在國際上出現，并開始應用于土石壩壩體防滲處理。1980年以來，介于塑性混凝土和普通混凝土之間的低彈?；炷灵_始應用于我國江蘇和浙江省內眾多的大壩防滲加固，但彈性模量一般在17 000 MPa左右。而在2000年之后，多數水庫的防滲處理均采用了更低的彈模數值，例如浙江省對河口水庫除險加固采用混凝土彈模數值≤2 500 MPa、浙江省長潭水庫除險加固采用混凝土彈模數值≤1 250 MPa、浙江省通濟橋水庫除險加固采用混凝土彈模數值≤3 000 MPa等。國內部分水庫的低彈模混凝土彈性模量和抗壓（拉）強度指標見表1。

表1 國內部分水庫低彈模防滲墻的彈模與抗壓（拉）強度指標

本工程實例同為水庫除險加固工程，壩體為粘土心墻壩，壩高38.5 m，防滲墻將施工于原壩體粘土心墻內，且最大深度達41.80 m，如采用常規混凝土，墻體彈性模量較高，在水荷載的作用下將出現較大的變形及應力集中現象，產生的拉應力有可能使墻體發生裂縫，進而影響防滲效果，故采用低彈?；炷痢＝橛诖?，擬對特定條件下，不同彈性模量對防滲墻的影響作計算和分析，得出該工程實例彈模的合理取值，以期對類似除險加固工程給予一定借鑒。

1 計算基本資料

水庫特征水位：死水位為93.00 m；正常蓄水位為122.50 m；校核洪水位（P=0.05%）為125.12 m；設計洪水位（P=2%）為124.33 m。計算所需的參數參照國內外類似工程及類似材料的非線性應力～應變參數，并結合地質鉆探資料選取大壩、壩基材料參數值（表2），壩體結果如圖1。

表2中材料編號為：1—壩基砂卵礫石；2—壩體心墻粘土；3—壩體砂礫石；4—浸水后壩基砂卵礫石；5—浸水后壩體心墻粘土；6—浸水后壩體砂礫石；7—混凝土防滲墻（E=1 000、1 500、2 000、3 000、5 000、8 000 MPa）。

表2 壩體材料參數表

圖1 壩體結構斷面圖

2 SDAP程序計算

采用中國水利水電科學研究院提供的SDAP程序，計算模型采用E－υ模型，采用逐次增量的方法模擬材料的非線性特性。

計算時選取壩體最大斷面。計算工況選取正常蓄水位與校核洪水位情況。計算中考慮防滲墻底部與基巖之間設一層0.1 m厚的沉碴。防滲墻墻體材料采用低彈?；炷?，混凝土彈性模量分別取1 000 MPa、1500MPa、2000MPa、2500MPa、3000MPa、5000 MPa、8 000 MPa。防滲墻應力計算結果見表3。

彈性模量取2 500 MPa時，防滲墻最大拉應力分別為0.56 MPa和0.92 MPa，當彈性模量取5 000 MPa時，防滲墻最大拉應力分別1.37 MPa和2.01 MPa，最大拉應力均位于83.70 m高程左右。不同彈性模量對應最大壓（拉）應力關系曲線見圖2。

表3 壩體應力應變計算成果表MPa

圖2 彈性模量與最大壓（拉）應力關系曲線

3 Midas/GTS軟件對比計算

利用Midas/GTS強大的幾何建模技術建立三維實體模型，模型采用整體建模，實體模型如圖3和圖4，離散后共有實體單元28 410個，定義材料屬性。計算中將上游面水頭作為定水頭邊界處理，下游水位為零，壩基按透水邊界處理，壩下游面為透水邊界。

圖3 不包含基巖的壩體三維實體模型

圖4 壩體三維有限元模型

計算模型仍選用“E-υ模型”，計算時選取壩體最大斷面。計算工況選取正常蓄水位與校核洪水位兩種工況。防滲墻墻體材料采用低彈模混凝土，為作對比，混凝土彈性模量仍然分別取1 000 MPa、1 500 MPa、2 000MPa、2500MPa、3000MPa、5000MPa、8000MPa。

一般混凝土（彈模取值30000 MPa）和低彈?；炷粒◤椖Ｈ≈?000 MPa）在校核洪水位下位移見圖5，防滲墻應力計算結果見表4和圖6。

圖5 校核洪水位下位移等值線圖

表4 Midas/GTS應力應變計算成果表MPa

圖6 彈性模量與最大壓（拉）應力關系曲線

4 結論

（1）防滲墻墻體材料采用低彈?；炷?，具有較低的彈性模量更能適應不均勻受力及相應的變形。

（2）通過正常蓄水位（122.50 m）和校核洪水位（125.12 m）計算結果對比可見，水位的增加對墻體的應力有一定影響，水位升高會使墻體應力變大。

（3）另外，隨著防滲墻彈性模量改變，防滲墻的應力隨之變化。從本工程實例來看，彈性模量超過3 000 MPa以后，防滲墻的應力變化較為顯著，建議彈性模量不超過3 000 MPa。

（4）本工程實例中的彈模取值是在特定的邊界條件下計算得出的相關建議，實際上防滲墻的應力應變情況與壩高、溫度、水位、壩體材料等多種因素有關，故在類似低彈?；炷练罎B墻施工前，必須通過應力計算得出彈性模量的臨界值以保證防滲墻的安全性。

[1]白永年．中國堤壩防滲加固新技術[M]．北京：中國水利水電出版社，2001．

[2]丁樹云，蔡正銀．土石壩滲流研究綜述[J]．人民長江，2008，39（2）：33-36．

[3]尉高洋．低彈?；炷练罎B墻在某土石壩加固中的應用[J]．浙江水利科技，2006，144（2）：37-39．

[4]郎小燕．混凝土防滲墻在土石壩工程中的應用與發展[J]．水利水電技術，2007，38（8）：42-45．

2016-12-09）

羅東翔（1982－），男，滿族，大學本科，工程師，主要從事水利水電工程管理，長距離輸水等方面的技術性工作，通信地址：沈陽市和平區光榮街十四緯路，郵編110003，手機：15214216353，E－mail:7387333@qq.com。