基于壩基覆蓋層厚度的塑性混凝土心墻應力變形分析

肖福輝

(肇源縣水利勘測設計隊，黑龍江 肇源 166500)

基于壩基覆蓋層厚度的塑性混凝土心墻應力變形分析

肖福輝

(肇源縣水利勘測設計隊，黑龍江 肇源 166500)

塑性混凝土因其自身特點在國內外水利工程中得到廣泛應用，其較小的滲透系數，良好的變形性能，突出的防滲性能等在壩工界越來越被重視。文章就覆蓋層厚度對塑性混凝土心墻應力變形特性的敏感性分析，反應了在一般條件下塑性混凝土心墻的應力變形特性。

壩基；覆蓋層厚度；塑性混凝土；混凝土心墻；應力變形

1 緒 論

塑性混凝土是在普通混凝土的各種應用問題基礎上提出并發展起來的新型防滲材料。和普通混凝土相比，不同之處在于基本組成結構，前者的膠凝材料組成既有水泥和粘土等，通常還會摻加外加劑、粉煤灰來提升性能，同時得以減少材料用量[1]。在壩體混凝土防滲墻研究方面塑性性能明顯優于普通混凝土，二者相比，主要優勢在于較低的彈性模量，因變形模量類似適應土體變形良好，較大的極限應變，滲透性差防滲性能突出，基本能夠滿足水利水電工程的防滲設計要求；施工過程中拌合物流動性良好，材料不易離析、不堵管，方便泵送同時無需振搗，工程材料用量少，減少工程投資。

目前對于壩體塑性混凝土防滲墻的研究理論很成熟。塑性混凝土心墻作為大壩防滲體系的重要組成部分，其結構安全很大程度上保證整個大壩安全運行。對塑性混凝土心墻進行詳細全面的研究，系統分析塑性混凝土覆蓋層厚度的不同對塑性混凝土心墻應力變形特性的影響顯得非常必要。

2 塑性混凝土應變特性

根據受力特點，對塑性混凝土進行了三軸壓縮試驗，分析壓力水平、齡期對塑性混凝土靜力學特性的影響[2]。

2.1 三軸壓縮試驗條件下的破壞型式及設計強度準則

(1)

對于塑性混凝土防滲墻，采用摩爾—庫侖強度理論，考慮測壓的作用可較大程度的提高抗剪強度，比較符合實際情況。尤其是在對中高土石壩塑性混凝土防滲墻中。

2.2 四周壓力對塑性混凝土強度和極限應變的影響

塑性混凝土的應力應變曲線直觀上存在比例極限的極限點，在此點下方，應力變形關系曲線類似直線。四周壓力σ3的不斷增加，關系曲線趨于曲線階段變化，此時體積應變為減縮，這是非線性材料的顯著特點。這種變化說明塑性混凝土壩和壩基巖體的材料本構關系相似。同時塑性混凝土的抗壓強度隨壓力的變化逐漸增大，極限應變變化規律同抗壓強度[3]。

2.3 四周壓力對塑性混凝土初始模量的影響

在土體中，初始模量Ei隨著四周壓力σ3的不斷增加而增加，指數函數關系式表達如下：

(2)

式中：K、n為試驗常數，由常規三軸試驗確定。

塑性混凝土的初始模量Ei與圍巖壓力沒有這種指數關系，正因這一材料力學特性，保證了其在土石壩防滲墻中的合理應用。當防滲墻不斷填筑時，土體的初始模量增大，但塑性混凝土防滲墻的變化幅度不大，致使荷載發生轉移，防滲墻的應力得到改善。塑性混凝土的抗壓強度隨著時間關系的不斷增大，極限應變不斷增加，有力的保障了其安全性。

2.4 齡期對塑性混凝土力學特性的影響

在不同齡期的無側限壓縮試驗中分析得出，齡期與塑性混凝土的強度和初始模量呈線性變化關系。塑性混凝土隨齡期的增長，其抗壓強度大大提高，而且其提高倍數與灰水比密切相關，幾近成反比關系。塑性混凝土的無側限抗壓強度和初始模量幾乎同步增長。而混凝土的模強比與齡期變化呈反比關系，說明塑性混凝土防滲墻齡期越長，安全系數越高。

3 工程實例

3.1 工程概況

某水利樞紐工程位于遼寧省份境內。該水庫以蓄水為主，兼具灌溉、發電的綜合效益。該工程等別為Ⅱ等大(2)型，水庫樞紐工程由攔河壩、溢洪道、泄洪洞和廠房等組成。壩體為塑性混凝土心墻壩，洪水按百年一遇設計，千年一遇校核。水庫正常蓄水位765.26m，設計洪水位765.68m，校核洪水位766.53m。壩頂高程772m，最大壩高65.0m，壩長724.0m[4]。大壩標準橫剖面見圖1。

圖1 大壩標準橫剖面圖

3.2 本構模型物理參數

在分析計算中，壩體填筑料、覆蓋層等和塑性混凝土均采用非線性彈性的鄧肯-張E-B模型，材料參數通過常規三軸試驗和相類似的工程參考值綜合確定，塑性混凝土材料的非線性彈性模型參數直接選用相類似的工程經驗參數[5]。壩體土填筑、覆蓋層、塑性混凝土心墻的非線性彈性的模型參數見表1。塑性混凝土心墻與壩體及覆蓋層之間的接觸模型計算參數見表2。

表1 壩體及壩基材料E-B模型參數

表2 Goodman單元模型參數

為了研究分析不同的覆蓋層厚度對塑性混凝土心墻的應力變形性態的影響，假定壩高不變，通過增加覆蓋層厚度，制定以下3方案，方案一作為基本方案；覆蓋層厚度增加到20m作為方案七，約為壩高的1/3；將覆蓋層厚度增加到40m作為方案八，約為壩高的2/3。分別對3種不同覆蓋層厚度方案進行有限元分析計算。

3.3 計算結果

1)施工期計算結果見圖2-圖6。

圖2 水平位移

圖3 垂直位移

圖4 大主應力

2)蓄水期計算結果見圖7-圖11。

圖5 小主應力

圖6 水平位移

圖7 垂直位移

圖8 大主應力

圖9 小主應力

圖10 蓄水期心墻應力水平

圖11 施工期心墻應力水平

有限元計算成果匯總見表3。

表3 不同覆蓋層厚度的心墻應力變形統計表

3種方案計算參數相同，僅覆蓋層厚度不同。由圖2和圖7可以看出，覆蓋層厚度和墻體的水平位移、垂直位移變化呈線性關系，隨著前者的增加逐漸增大，方案八中防滲心墻的位移變化值是最大的，因為外界荷載來自壩體自重及靜水壓力值最大，故變形值也是最大。所以，在深厚覆蓋層地基上修建塑性混凝土心墻壩時，對于心墻位置附近的覆蓋層要保證壓實率，增加對防滲墻的約束力。

3種方案下的大、小應力和應力水平變化規律基本相同，防滲心墻基本保持受壓狀態，應力水平與高度成反比關系。在基巖部位墻體和覆蓋層接觸面多次產生應力集中現象。防滲心墻的大、小主應力和覆蓋層厚度均呈正比關系，3種方案的主應力最大值在方案八中產生，計算值分別為2.75MPa和1.32MPa，方案一中產生最小值，計算值為1.84MPa和0.84MPa，3種工況下的應力水平變化規律相同。

通過對比分析得知，覆蓋層厚度對塑性混凝土心墻的應力變形影響不是十分明顯，3種方案下墻體水平位移與垂直位移變化曲線都很相似，不同厚度的覆蓋層混凝土心墻位移最大值發生的部位與數值相差不大，隨著覆蓋層厚度的增加，心墻與壩體之間的應變相互影響基本沒有變化，且墻體的受壓狀態也保持不變，僅表現在墻體的應力變形有一定的變化，在今后的設計中應予以關注。

4 總 結

本文在塑性混凝土有限元計算原理和應力變形特征分析的基礎上，結合現有塑性混凝土心墻壩工程實例，建立三維有限元模型，計算塑性混凝土心墻壩在不同工況下不同壩基覆蓋層厚度的心墻特性敏感些分析，通過不同方案的計算對比分析，認為塑性混凝土壩的覆蓋層厚度設計應在適宜范圍內，保障工程安全的同時有利控制工程造價。

[1]王為標.土石壩瀝青防滲技術的應用和發展[J].水力發電學報，2004，23(06)：70-74.

[2]董云英,呂祖弘.混凝土防滲墻幾種新型墻體材料的介紹[J].廣西水利水電,1993(01):56-61.

[3]劉志紅.淺談塑性混凝土防滲墻在水利水電工程中的應用[J].水利技術監督，2000(03):22-25.

[4]楊明林.塑性混凝土配合比及性能指標試驗研究[D].河南：鄭州大學，2010.

[5]費康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2010:1-4,126-134,343-392.

1007-7596(2017)06-0063-04

2017-06-22

肖福輝(1980- )，男，吉林農安人，工程師。

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