高水材料在均質土石壩輸水涵回填中的應用研究

韓 英

(凌海市灌區管理處，遼寧 凌海 121000)

高水速凝固體材料(簡稱高水材料)是英國在20世紀80年代初期研發的一種新型膠凝材料[1]，該材料具有早期強度高、膠結性能好以及成本低等特點，在港口、石油、軟土地基和采礦等[2- 4]工程中作為一種填充材料得到廣泛應用，有關高水材料用作土石壩輸水涵回填材料的尚未見報道，因此研究高水材料在土石壩輸水涵回填工程中的應用具有重要的意義。

高水材料作為一種常用的回填材料，大量專家學者對其物理力學性質進行了研究，馮光明等[5]對形成高水材料的基料進行了研究，從材料來源、礦物組成和價格等方面對比分析了4種不同水泥作為高水材料基料的優缺點，結果表明硫鋁酸鹽水泥最適宜用作高水材料基料，因此目前有關高水材料基料研究主要集中于硫鋁酸鹽水泥。彭美勛等[6]對添加外加劑的高水材料進行研究，研究了不同石膏摻量下，高水材料初凝特性并分析了不同齡期的摻石膏高水材料的無側限單軸抗壓強度，結果表明石膏摻量在80%～85%時，高水材料不同齡期下抗壓強度水平較高。黃玉誠等[7]通過對高水材料進行單軸壓縮試驗、角模試驗和巴西劈裂法試驗，研究了高水材料的抗壓強度、抗拉強度以及抗剪強度，結果表明高水材料抗拉、抗壓和抗剪強度均與齡期有關，不同齡期下高水材料抗拉強度<抗剪強度<抗壓強度。在實際工程中，高水材料受諸多環境因素影響，如高水材料常受具有侵蝕性離子，NO3-，Mg2+和Ca2+等因素影響，關于這方面的研究還有待進一步完善[8- 10]。

興橋水庫興建于1974年，擋水建筑物為均質土石壩，壩高18m，上下游壩坡比均為1∶1.75，均質土壩上設有一條放水涵，為混凝土涵管，其截面尺寸為1m×1m，由于運行至今已有40余年，輸水涵管已經難以發揮正常功用，安全評價鑒定結果建議對該壩輸水涵管進行回填，在壩體另一位置修筑新的放水涵，以實現水庫正常的防汛、灌溉和生態保持等功能。輸水涵回填若采用普通黏土，在輸水涵內難以碾壓密實，不能滿足設計防滲與沉降要求，而采用混凝土則會造成超強，經濟不合理。高水材料是一種良好的回填材料，目前在礦山工程中應用廣泛，為研究高水材料在輸水涵回填工程中應用的可行性，分別采用有限元對高水材料回填輸水涵運行0.5年、1年、2年、5年、10年和20年的應力、變形和滲流情況進行模擬。

1 計算模型與參數

取土石壩輸水涵縱剖面為典型斷面，建立二維有限元模型如圖1所示，壩高18m，上下游壩坡比均為1∶1.75，均質土壩基礎為非重點研究對象，限于鉆孔參數限制，只考慮5m的基礎深度，且均取為粉質黏土，基礎底部限制x向和y向的位移，基礎側面只限制x向位移，其他均設為自由邊界。本次計算高水材料回填輸水涵應力變形采用SIGMA/W模塊，計算滲流采用SEEP/W模塊。高水材料參照既有研究成果[11]，取水灰比為4∶1，計算參數見表1。

名稱彈性模量/kPa內摩擦角/(°)粘聚力/kPa泊松比壩體60021340.38高水材料1200311470.31壩基50015290.41

2 計算結果與分析

圖2為高水材料回填輸水涵洞應力云圖，由圖可以看出，在涵管處存在應力集中現象，涵管以上隨深度增大，應力值逐漸增大，在涵管處達到最大，而在涵管以下隨深度增大，應力值先減小后增大。圖3為高水材料回填輸水涵洞變形云圖，由圖可以看出，壩體基本處于沉降狀態，然而在壩角處存在向上隆起的趨勢，壩體能形成土拱效應，故壩體變形基本呈環狀，隨深度增大，壩體沉降先增大后減小，在壩體與壩基的交界處，壩體沉降量最大。綜上分析可以看出，高水材料回填輸水涵洞可能出現的危險為其所產生的應力集中現象，但集中應力大于高水材料抗剪強度時，高水材料會發生破壞，進而可能導致整個壩體失穩，將計算應力值與高水材料抗剪強度值對比，高水材料的抗剪強度是其應力最大值的4倍，故采用高水材料對輸水涵進行回填時不會由于應力集中而產生破壞。

圖4為高水材料回填輸水涵洞應力最大值與輸水涵運行年限關系曲線，由圖可以看出隨運行年限增大，高水材料回填輸水涵洞應力最大值逐漸減小，這是由于回填的高水材料隨時間增長發生了強度值逐漸衰減，原本由高水材料承擔的壓力轉而由壩體承擔。圖5為高水材料回填輸水涵洞最大沉降值與輸水涵運行年限關系曲線，由圖看出，隨運行年限增大，高水材料回填輸水涵洞沉降最大值逐漸減增大，且呈明顯的對數關系。圖6為高水材料回填輸水涵洞滲流速度與輸水涵運行年限關系曲線，由圖看出，運行年限小于10年時，高水材料回填輸水涵洞滲流速度基本保持穩定，而當運行年限超過10年時，滲流速度迅速增大，這可能是由于高水材料老化，形成了滲流通道。

圖2 高水材料回填輸水涵洞應力云圖

圖3 高水材料回填輸水涵洞變形云圖

圖4 最大應力值與運行年限關系曲線

圖5 最大沉降值與運行年限關系曲線

圖6 滲流速度與運行年限關系曲線

3 結語

采用有限元對高水材料作為均質土壩輸水涵回填材料的可行性進行研究，結果表明，采用高水材料回填后會在輸水涵處產生應力集中現象，然而高水材料抗剪強度遠大于其最大應力值，且隨運行年限增大，應力集中現象逐漸趨于不明顯。高水材料回填對壩體沉降變形影響不明顯，壩體最大沉降值仍在壩基與壩體交界處，且隨運行年限增大，呈對數型增大。高水材料回填輸水涵運行年限小于10年時，輸水涵滲流速度較小，且基本保持穩定，而當運行年限超過10年時，輸水涵滲流速度迅速增大，建議采用高水材料回填的輸水涵管每隔10年左右進行灌漿加固一次，以保證大壩安全。

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