堆石壩中復合土工膜的應力變形分析

黃 舉

（丹東市鴨綠江防洪護岸工程建設管理局，遼寧 丹東 118000）

堆石壩中復合土工膜的應力變形分析

黃 舉

（丹東市鴨綠江防洪護岸工程建設管理局，遼寧 丹東 118000）

傳統堆石壩在修筑完成運行后極易出現滑裂、漏水、沉陷等現象，縮短了壩體的服務期限。復合土工膜具有施工簡易，適應變形能力強等優勢，本文通過MIDAS軟件，以太平哨電站壩體為研究對象，對壩體正常蓄水期進行了模擬分析，結果表明，復合土工膜在對壩體起到良好的防滲作用的同時還較為顯著的改善了壩體的應力變形，提升了壩體的穩定性。

復合土工膜；堆石壩；MIDAS軟件

堆石壩的筑壩材料以卵石、石渣、石料等為主，堆石壩施工簡易、周期短、成本低，能適應各種復雜地形。復合土工膜心墻堆石壩是一種內部采用復合土工膜作為防滲材料，以堆石體作為支承體的壩體結構，防滲基材為塑料薄膜，具有防滲體施工簡易，適應變形能力強等優勢，最大程度上避免了傳統堆石壩極易出現的滑裂、漏水、沉陷現象［1］。鑒于復合土工膜心墻堆石壩具有非常多的優點，已經成為在水利工程建設領域的應用較多的壩型。由于復合土工膜心墻堆石壩是一種非均質、非線性的散粒體空間復合結構，其本構模型選取比較困難， 力學分析也較為困難［2］。

1 工程概況

太平哨電站位于遼寧省寬甸縣，是渾江干流上第三個梯級電站，水電站設計為引水式水電站，總裝機容量為16.1萬千瓦時。該水電站水庫是一座山谷型水庫，設計水頭36.2m，水庫總庫容為2億立方米，正常蓄水位 890米。攔河壩為砼重力壩；壩長556m，壩頂高程895m，壩頂寬6m，壩高18.5m，上下游壩坡比均為1∶1.8。采用混凝土防滲墻結構作為土石壩防滲墻基礎，復合土工膜心墻壩作為堆石壩防滲墻基礎，下圖1為壩體斷面。

2 復合土工膜機理

圖1 壩體斷面示意圖

復合土工膜的基材是塑料膜，運用最普遍的塑料膜原料是聚乙烯塑料膜中的吹塑膜，吹塑膜首先由線性低密度聚乙烯與低密度聚乙烯共混擠出，之后通過紅外線輻射熱復合處理［2］。線性低密度聚乙烯平均分子質量相對較大，其大分子鏈結構屬于短支鏈結構，具有較高的拉伸強度、耐開裂性、耐沖擊性等性能。基布作為復合土工膜的主要材料，其影響著復合土工膜的拉伸性能、抗滲性能，基布表面平整度越好，其耐靜水壓值越高，基布纖維越粗， 越易滲水［3］。

復合土工膜具有良好的抗拉強度以及延伸率，能夠適應壩體變形，承受庫體內水壓。借助塑料薄膜的不透水性有效的阻斷了土壩的漏水通道［4］。堆石壩施工時，復合土工膜鋪設與壩體填筑同步進行，壩體中央的復合土工膜通常要承受兩個變形影響，一是壩體水平位移引起的變形，二是壩體填筑沉降引起的變形。由于復合土工膜具有較高的伸長率，能承受由壩體引起的水平拉伸變形和豎向剪切變形［5］。

3 MIDAS軟件與材料參數

3.1 MIDAS有限元軟件

由于復合土工膜心墻堆石壩的復合結構具有非均質、非線性，本構模型建立困難。國外直到上世紀六十年代末才逐步采用有限單元法對壩體應力變形作相關分析［6］。MIDAS有限元軟件是由韓國浦項制鐵下屬的軟件公司開發的巖土分析軟件，MIDAS有限元軟件運算快、可視化、具備出色的土石壩設計與分析能力，可以進行非線性彈（塑）性分析、非穩定滲流分析、施工階段分析、滲流-應力耦合分析、固結分析、 地震、動力分析等［7-9］。 本文主要借助MIDAS軟件建立三維模型，分析堆石壩的應力變形規律，及壩體在復合土工膜鋪設后的變化。

3.2 材料參數

堆石壩壩體填筑料主要通過天然砂礫石料篩選而得，其內針片狀顆粒含量≦12%，顆粒粒徑不大于0.1m的占比≧6%。墊層中巖石抗壓強度≧45Mpa，軟化系數≧0.70，粒徑≤33mm，粒徑≦5mm顆粒的含量5%～50%，≦0.08mm顆粒含量為0～1%，表1為復合土工膜指標。根據堆石壩壩體斷面設計壩體按材料分區分別為：堆石區、過渡區、墊層和反濾層，參數見下表2～表3。

表1 復合土工膜指標

表2 非線性材料參數

表3 彈性材料參數

4 有限元計算模型

建立三維有限元模型如圖2所示，X軸沿水流方向設置，Y軸沿著壩軸線設置，Z軸沿豎直方向設置。模型兩側固定 X和Y方向的位移為零，模型最底端 X、Y、Z三個方向的均固定位移為零，其余面方向上均設置為自由位移［10］。壩體模型模擬結構的單元尺寸為800mm，復合土工膜土工柵格單元數為7080個，單元總數共計有191985個，復合土工膜土工柵格單元如圖3。

5 壩體有限元模擬及分析

分別對壩體大主應力、小主應力、橫向位移、豎向位移進行模擬分析。

圖2 壩體三維有限元模型

圖3 復合土工膜土工柵格單元

圖4 蓄水時壩體模擬云圖

5.1 正常蓄水期壩體數值模擬

由圖4（a）、（b）大、小主應力云圖可知：壩體蓄水后，在壩內水壓作用下，壩體大主應力為拉壓應力并存，壩體受壓出現在蓄水位以下最大壓應力為0.002MPa，壩體最大拉應力為0.003MPa；上游壩坡底出現最小壓應力值為0.018MPa。

在庫體內水壓作用下，壩體的變形最開始以沉降變形為主，之后逐漸轉為水平移動為主。由圖4（c）、（d）可知：正常蓄水位以下，壩體有向下游移動的狀況，最大位移量出現在蓄水位之下距離壩底?3的區域，值約1.8mm。蓄水位以上壩體向上游一側移動，上游壩頂部位出現最大值約1.2mm；上游壩面豎向位移最大值約為2.2mm。

5.2 正常蓄水期復合土工膜數值模擬

由圖5正常蓄水期復合土工膜大小主應力云圖（a）、（b）可知：在蓄水位以下復合土工膜的大主應力呈受壓狀態在復合土工膜底端出現最大壓應力值，約為0.005MPa。蓄水位水位以上呈受拉狀態，在復合土工膜頂端出現最大拉應力約為0.006MPa。小主應力皆表現為受壓狀態，在復合土工膜的底端出現最大值約為0.02MPa。

由圖5（c）、（d）可知：在蓄水位以下，庫容水壓力作用下復合土工膜底部1/3區域內，復合土工膜向壩體下游一側移動，最大位移量約為0.55mm。蓄水位以上復合土工膜向上游移動，復合土工膜的頂端部出現最大值位移量，約為3.2mm；復合土工膜頂端與兩岸山體接觸的部位出現最大豎向位移量約為6.5mm。

5.3 無膜時壩體數值模擬

為了研究復合土工膜對壩體所產生的影響，在正常蓄水期內對無膜情況下依次對壩體的大主應力、小主應力、水平位移、豎向位移進行數值模擬。

由圖6（a）、（b）可知：壩體在正常蓄水后大、小主應力分布呈非對稱狀態，大主應力水位以下表現為受壓狀態，壩體水位以上呈現受拉狀態分布，最大壓應力約0.02MPa，最大拉應力約0.015MPa；小主應力在上游壩坡底部顯現， 其最大值約0.15MPa。

圖5 蓄水時復合土工膜模擬云圖

圖6 無膜時壩體模擬云圖

由圖6（c）、（d）可知：上游壩體在蓄水位以下向下游一側運動，水位以下相距壩底1/3的區域內出現最大位移量，約為12.5mm。下游壩體以及蓄水位之上區域皆為向上游運動，上游壩頂部位出現最大值約為4.6mm。在上游壩面水壓力作用面上出現豎向位移最大值約為10.8mm。

6 小結

在最初受力階段，復合土工膜及壩體呈現受壓狀態，之后在水壓力作用下出現了拉應力，復合土工膜在與壩體連接的位置呈現出應力集中現象；變形最初為整體沉降，之后發展為局部水平移動。無模時，壩體在蓄水后大、小主應力呈非對稱分布，有模時，最大壓應力、最大拉應力、最大位移量皆變小，跟無膜相比，復合土工膜在對壩體起到良好的防滲作用的同時還較為顯著的改善了壩體的應力變形，提升了壩體的穩定性。

［1］丁東彥.復合土工膜心墻堆石壩應力變形分析［D］.蘭州交通大學，2014.

［2］姚天寶，丁冬彥，任建民.地震作用下復合土工膜心墻堆石壩應力變形分析［J］.南水北調與水利科技，2015（01）：127-131 +144.

［3］王黨在.復合土工膜防滲體在高土石壩中的應用研究［D］.西安理工大學，2005.

［4］林淀翔.土工膜心墻土石壩設計與施工中若干問題的研究［D］.大連理工大學，2002.

［5］姜海波.復合土工膜心墻與斜墻高土石壩應力應變研究［J］.水利技術監督，2014（01）：53-57+76.

［6］周奕琦，沈振中，王偉，馬秀偉，彭迪.復合土工膜庫盆防滲上水庫應力變形性態分析［J］.水利技術監督，2014（02）：160-163+174.

［7］岑威鈞，沈長松，童建文.復合土工膜防滲堆石壩力學特性有限元分析［J］.江水電能源科學，2008（05）：110-112+165.

［8］吳俊杰，鳳煒，劉亮，曹文潔.全庫盤防滲復合土工膜應力應變分析［J］.水利規劃與設計，2013（12）：66-69.

［9］岑威鈞，沈長松，童建文.深厚覆蓋層上復合土工膜防滲堆石壩筑壩特性研究［J］.巖土力學，2009（01）：175-180.

［10］顧淦臣，沈長松，朱晟，喻建清.塘房廟復合土工膜心墻堆石壩的設計、施工和應力應變有限元分析［J］.水力發電學報，2004（01）：21-26.

水利部正式批復南盤江、北盤江流域綜合規劃

近日，水利部分別以水規計［2017］40、41號文批復了《北盤江流域綜合規劃》及《南盤江流域綜合規劃》。這是水利部依據國務院關于流域綜合規劃審批授權，在全國率先批復的兩條跨省（自治區）河流綜合規劃。其中，南盤江是珠江流域西江水系主源，發源于云南省沾益縣馬雄山麓，跨滇、黔、桂三省（自治區），流域面積56880平方公里；北盤江是西江水系的一級支流，跨滇、黔兩省，至貴州省雙江口與南盤江交匯，流域面積26569平方公里。

《規劃》水平年為 2030年。水利部在批復中明確提出，《規劃》實施要全面貫徹黨的十八大和十八屆三中、四中、五中、六中全會精神，深入貫徹習近平總書記系列重要講話精神，牢固樹立創新、協調、綠色、開放、共享發展理念，按照“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的新時期水利工作方針，以增強流域水安全保障能力為目標，落實最嚴格水資源管理制度，全面建設節水型社會，實施水資源消耗總量和強度雙控行動，著力完善水利基礎設施網絡，加強流域水資源統一管理和調度，統籌推進流域防洪抗旱減災、城鄉供水、水資源綜合利用、水土流失與石漠化治理、水資源和水生態環境保護修復等工作，確保防洪安全、供水安全、糧食安全和生態安全，為實現流域經濟社會可持續發展和生態文明建設提供水利支撐和保障。

依據《中華人民共和國水法》，《規劃》是南盤江、北盤江流域開發、利用、節約、保護水資源和防治水害的重要依據。根據水利部要求，珠江委將與流域內各省（自治區）人民政府及有關部門密切配合，精心組織，落實《規劃》提出的各項任務措施，加強與相關規劃實施工作的有機銜接，涉及的建設項目按規定程序報批；密切跟蹤監測和評估規劃實施情況。

來源：摘自紫光閣網站

TV223.4

B

1672-2469（2017）02-0115-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.036

2016-11-24

黃 舉（1981年—），男，工程師。