深厚覆蓋層上復(fù)合土工膜防滲體受力特性分析

馬海兵

（新疆阜康市水利管理總站上戶溝水管所，新疆阜康831500）

深厚覆蓋層上復(fù)合土工膜防滲體受力特性分析

馬海兵

（新疆阜康市水利管理總站上戶溝水管所，新疆阜康831500）

分析土工膜防滲受力變形特性，有助于了解防滲體系在可能的不良情況下是否能夠安全運(yùn)行，進(jìn)而掌握大壩結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行狀況。研究符合土工膜的受力特性屬于材料與邊界條件的雙重非線性問題，采用非線性有限元對雙河水庫復(fù)合土工膜防滲體受力特性進(jìn)行分析，對壩體力學(xué)特性和變形規(guī)律進(jìn)行研究得出：復(fù)合土工膜與粗粒墊層結(jié)構(gòu)面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屬于應(yīng)變軟化型，符合一般應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，在可能的不良情況下，大壩應(yīng)力、變形都在安全允許范圍內(nèi)，大壩結(jié)構(gòu)安全符合設(shè)計(jì)要求。

雙河水庫；壩體；土工膜；受力特性

0 引言

近年來，隨著材料制造工藝的不斷進(jìn)步，復(fù)合土工膜在防滲性能方面取得長足的改進(jìn)，具有良好的力學(xué)特性和防滲特性，在水力工程中應(yīng)用越來越廣泛。復(fù)合土工膜作為壩體防滲結(jié)構(gòu)的一部分，土工膜與墊層結(jié)構(gòu)面的受力特性勢必會(huì)影響到土工膜防滲特性的發(fā)揮。雙河水庫大壩建設(shè)在深厚覆蓋層上，工程設(shè)計(jì)采用土工膜+砂殼的防滲形式。分析土工膜防滲受力變形特性，有助于了解防滲體系在可能的不良情況下是否能夠安全運(yùn)行，進(jìn)而掌握大壩結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行狀況。

1 工程概況

雙河水庫處于白楊河山前沖洪積傾斜平原之上部，庫區(qū)地層由第四紀(jì)上更新世（Q3）卵石、全新世（Q4）淤泥質(zhì)粉土層組成。但淤泥質(zhì)粉土層厚度較小，分布不均屬弱透水層。而下部有由巨厚卵石和碎石土組成，分布較穩(wěn)定，滲透系數(shù)為4.1×10-3cm/s（3.5 m/d），屬中等透水層，地下水埋深大于150 m。大壩建設(shè)深厚覆蓋層上，壩體上下游壩坡坡比分別為1∶3和1∶2。

復(fù)合土工膜的規(guī)格型號(hào)采用200 g/m2/PE0.50/200 g/m2，幅寬采用6.0 m~8.0 m，拉伸強(qiáng)度不低于180 N/（5 cm），斷裂延伸率不低于40%，彈性模量在5℃不低于70 MPa，抗凍性（脆性溫度）不應(yīng)低于-60℃，撕裂強(qiáng)度應(yīng)大于或等于40 N/mm，抗?jié)B強(qiáng)度應(yīng)在1.05 MPa水壓下48小時(shí)不透水，滲透系數(shù)為10-11cm/s~10-12cm/s。

2 計(jì)算模型

根據(jù)文獻(xiàn)資料[1-2]可知，土工膜單寬拉力會(huì)隨著拉應(yīng)變的增加而增加，到一定程度后拉力會(huì)下降。復(fù)合土工膜與墊層結(jié)構(gòu)面在接觸過程中，二者之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，而對摩擦特性有直接影響的為剪應(yīng)力。而工程壩體的填筑料選擇的是砂礫石料，其屬于非線性材料，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系亦呈非線性。同時(shí)，土工膜與壩體結(jié)構(gòu)面屬于邊界條件的非線性接觸，所以，研究復(fù)合土工膜防滲斜墻的受力特性屬于材料與邊界條件的雙重非線性問題研究。

2.1 本構(gòu)模型

為了解本工程土工膜與墊層結(jié)構(gòu)面的摩擦特性，設(shè)計(jì)通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在25 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa四種不同豎向應(yīng)力作用下，求得土工膜與不同結(jié)構(gòu)面的位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線，進(jìn)而推導(dǎo)得出最大剪切應(yīng)力[3-4]。圖1所示為在不同法向正應(yīng)力條件下土工膜與墊層結(jié)構(gòu)面的位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線。分析可知，位移-剪應(yīng)力曲線呈明顯的拋物線形態(tài)，隨著拉應(yīng)變的不斷增加，剪應(yīng)力值逐漸增加，并且經(jīng)歷了快速增長階段、緩慢增長階段以及緩慢下降階段，剪應(yīng)力峰值在緩慢增長階段達(dá)到最大值。剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著拉應(yīng)變的繼續(xù)增加，剪應(yīng)力將發(fā)生降低，并出現(xiàn)殘余應(yīng)力。同時(shí)，不同法向正應(yīng)力條件下，殘余應(yīng)力也有明顯不同，正應(yīng)力越大殘余應(yīng)力也越大。因此，分析得出土工膜與壩體結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屬于應(yīng)變軟化型。

2.2 模型建立

模型建立過程中，通過等效替換的方式對土工膜厚度與滲透系數(shù)進(jìn)行同步擴(kuò)大，以提升計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度[5]。采用庫倫摩擦模型，復(fù)合土工膜設(shè)計(jì)采用四邊形薄膜單元[6-8]。模型壩體和壩基單元數(shù)分別為2400個(gè)、7480個(gè)，土工膜單元440個(gè)，通過土工膜拉伸和剪切試驗(yàn)得到的材料參數(shù)見表1。同時(shí)，模擬計(jì)算過程中，對于兩個(gè)表面之間的摩擦行為用摩擦系數(shù)來進(jìn)行表征。

圖1土工膜與結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力-位移曲線變化規(guī)律

表1 復(fù)合土工膜主要材料參數(shù)

3 復(fù)合土工膜受力特性分析

3.1 土工膜應(yīng)力應(yīng)變

復(fù)合土工膜鋪設(shè)一般壩體填筑施工完畢后進(jìn)行，因此，在施工完建期土工膜受到的外力載荷較小，所產(chǎn)生的變形一般較小。復(fù)合土工膜本身具有良好的柔韌性，抗拉能力較小，且抗彎曲變形能力幾乎可忽略不計(jì)，因此，不可能依靠復(fù)合土工膜去限制壩體變形。在水庫運(yùn)行階段，復(fù)合土工膜變形屬于從屬變形，由壩體承受水壓而附帶產(chǎn)生的變形。圖2為模擬水庫蓄水引起的土工膜變形等值線，分析可知，土工膜的變形主要有2類，即向壩體下游方面的水平變形和沉降變形，沉降變形主要是隨著壩體沉降而產(chǎn)生。土工膜最大水平位移為4.5 cm，最大沉降變形值為5.5 cm，延伸率達(dá)到15%，發(fā)生在土工膜與左右岸坡的接合位置。水庫蓄水后，土工膜與岸坡接合處為應(yīng)力集中區(qū)域，因此這一部位的土工膜變形較大，而實(shí)驗(yàn)室測得的土工膜延伸率為136%~142%，判定復(fù)合土工膜并未發(fā)生延伸破壞。

圖2軸向位移等值線

3.2 剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系

模擬得到土工膜與墊層結(jié)合處的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。將之與實(shí)驗(yàn)得到的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線進(jìn)行對比可知，兩者的變化情況基本相同，這也表明模擬結(jié)果的可靠性。模擬得到的最大剪應(yīng)力為19.45 kPa，土工膜上下界面剪應(yīng)力不超過峰值，計(jì)算工況條件下防滲體系結(jié)構(gòu)符合運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

圖3土工膜界面剪應(yīng)力-剪應(yīng)變變化情況

圖4壩體蓄水期等值線(單位:cm)

通過有限元計(jì)算模擬，得到整個(gè)壩體沉降量和水平位移最大值分別為16 cm、4.5 cm，如圖4所示。水庫蓄水后，壩體產(chǎn)生的垂直和水平位移基本上都沿著大壩軸線對稱分布，表明整個(gè)大壩受力情況良好，且并沒有產(chǎn)生異常變形，認(rèn)為壩體結(jié)構(gòu)和土工膜防滲結(jié)構(gòu)都滿足壩體穩(wěn)定運(yùn)行的要求。圖4（b）水平位移分布特征也很好地應(yīng)證了復(fù)合土工膜壩體的非線性，隨著正壓力增加，殘余應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)地增加。

4 結(jié)論

本文在復(fù)工土工膜防滲體結(jié)構(gòu)建模過程中，充分考慮了結(jié)構(gòu)單元的特性，對壩體穩(wěn)定性具有更加全面、合理的評(píng)價(jià)。研究得到：土工膜與壩體結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屬于應(yīng)變軟化型；模擬得到的水平位移、沉降變形、延伸率最大值分別為4.5 cm、5.5 cm、15%，發(fā)生在土工膜與左右岸坡的接合位置，土工膜所受應(yīng)力與變形均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)；壩體垂直和水平位移沿壩體軸線對稱分布，復(fù)合土工膜壩體應(yīng)力應(yīng)變符合一般應(yīng)力變形規(guī)律，壩體結(jié)構(gòu)滿足安全運(yùn)行要求，不會(huì)發(fā)生塑形破壞。

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TV441

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1673-9000（2017）03-0136-03

2017-01-03

馬海兵（1982-），男，新疆阜康人，工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。