土石壩剛塑性防滲墻組合方案研究

張士良

(撫順縣投資審計中心，遼寧 撫順 113006)

土石壩對世界水利工程的發展起著至關重要的作用[1]，應用極為廣泛，是壩工工程中使用最多的壩型[2]。而土石壩建筑中出現的地震液化以及滲流破壞等問題已經嚴重威脅了人們的生產生活，提高土石壩加固技術已成為近年來水利工程研究的重點。塑性防滲墻由膨潤土、石子以及水泥等材料按一定比例配制而成，能夠滿足各類地質狀況，具有非常好的滲透性能[3]。蔡小麟[4]等采用低碳塑性防滲墻方案，對高土石圍堰進行了應力、應變分析，發現了墻的厚度直接影響著最大拉應力以及壓應力的大??；徐建國[5]等從線彈性材料角度對防滲墻進行了數值模擬，對材料的彈塑性進行了深入的探討。本文基于相關理論知識，結合英守水庫土石壩相關工程概況，采用有限元計算軟件ADINA，對土石壩防滲墻在加固過程中出現的問題進行了研究，通過建立的三維有限元模型，對施工期以及運行期四種條件下土石壩防滲墻相關應力、應變的分析，確定了土石壩防滲墻組合的方案，為今后相關工程的施工提供幫助。

1 工程概況及模型

1.1 工程概況

英守水庫位于遼寧省渾河支流古城子河上，總庫容為1140萬m3，主壩采用粘土寬心墻堆石壩，頂寬4.5m，下游心墻坡比為1∶0.865，上游坡率1∶0.53，壩體主要以堆石、石渣等材料堆成，壩體上部填充紅色泥礫石等材料。選取兩種設計方案進行對比分析，方案一壩體上部采用6MPa的塑性混凝土，壩體下部采用C10剛性混凝土，為剛塑性組合；方案二為剛性墻方案，全部采用C10剛性混凝土。

1.2 模型的建立

利用有限元分析軟件ADINA對土石壩進行三維非線性有限元分析[6]。其計算范圍為壩體上游壩坡坡腳到下游壩坡坡腳，模型邊界的選取基于防滲墻的組合方案向下延伸112m，向上頂部高程為658m。模型采用直角坐標系，以沿壩軸線由左到右方向為X軸正向，豎直向上為Z正向，順水流方向為Y正向[7]。壩基和壩體主要由粘土、塑性混凝土和紅色泥泥礫石等材料組成，材料物理特性參數見表1，防滲墻應按線彈性材料進行計算模擬。

表1 材料相關物理特性參數

在對不同工況進行受力分析時，只考慮水荷載及壩身自重?；鶐r上的防滲墻體施加上游水產生的水荷載，水容重為10.0KN/m3，從工況的角度考察施工期及運行期內防滲墻的剛塑性組合在應力及應變方面的影響，對施工期的最大水位及運行期的設計洪水位、校核洪水位和興利水位四種條件下上游水位進行了測量，見表2。

表2 四種條件下特征水位表

利用有限元軟件對三維模型進行網格劃分，得到圖1壩基和壩段P1斷面網格圖。壩體防滲墻兩側網格共劃分48685個節點，47584個單元。模型壩基的側邊約束為y=0或x=0，底面約束為z=0，主要對防滲墻的最高斷面P1進行分析[8]。

圖1 壩基和壩段P1斷面網格圖

2 兩方案防滲墻組合應力分析

2.1 施工期最大水位應力變形分析

圖2為施工期最大水位下P1剖面應力分布圖，由圖可知，在施工期最大水位作用下，剛性防滲墻組合方案中，防滲墻剖面P1墻身的第一主應力由上到下逐漸變大，最大值為-0.53MPa，壩體心墻處應力也較大，從壩頂到壩底，應力的數值大小逐漸增大，最大值出現在壩底，為-1.37MPa，Y方向(沿河流方向)的應力變化主要體現在壩體兩側的形變上，而豎直高程(Z方向)的應力變化為從上到下應力值逐漸變大，最大應力值大小為-1.51MPa。在剛塑性組合方案中，P1剖面防滲墻墻身的第一主應力值由上到下逐漸增大，最大應力值為-0.62MPa，壩體心墻處應力值較大，Y方向(沿河流方向)的應力變化主要體現在壩體兩側變形性上，從壩頂到壩底，應力逐漸變大，在壩底處達到最大值，為-1.41MPa，豎直高程(Z方向)的應力值由上到下逐漸變大，最大值為-1.22MPa。

圖2 施工期最大水位下P1剖面應力分布圖

2.2 運行期應力變形分析

圖3為運行期P1剖面閣主應力分布圖，由圖可知，不同的水位作用下壩身的應力作用也不相同，在校核洪水位作用下，剛性防滲墻方案中，防滲墻墻身的第一主應力由上至下逐漸增大，最大值為-0.66MPa，壩體心墻處所受應力值較大，由壩頂到壩底，其數值大小逐漸增大，在壩底處達到最大，為-1.32MPa，壩體兩側形變較小主要體現為Y方向(沿河流方向)的應力分布，而豎直高程(Z方向)的應力值由上之下依次增大，最大值為1.48MPa。剛塑性組合方案中，防滲墻墻身剖面P1所受應力由壩頂至壩底依次增大，最大值為-0.68MPa，壩體心墻處所受應力值較大，沿河流方向(Y方向)應力分布主要體現在壩體兩側變小，由上至下應力值逐漸增大，壩底處出現最大值，為-1.42MPa，Z方向(豎直高程)應力分布與剛性防滲墻應力分布相同，最大值出現在最底部，為-1.36MPa。

圖3 運行期P1剖面各主應力分布圖

在興利水位作用下，剛性防滲墻方案中，防滲墻墻身所受第一主應力由上至下逐漸增大，最大應力值為-0.73MPa，壩體心墻處所受應力值較大，Y方向(沿河流方向)應力分布主要體現在壩體兩側形變較小，由壩底至壩頂，應力值逐漸減小，最小值為-0.21MPa，豎直高程方向(Z方向)應力分布為從上至下依次增大，最大值為-1.59MPa。剛塑性防滲墻組合方案中，防滲墻墻身第一主應力分布為由下至上依次減小，在壩頂處達到最小值，為-0.18MPa，壩體心墻處所受應力較大，沿河流方向(Y方向)應力分布主要體現在壩體兩側變小，由壩底至壩頂，應力值逐漸減小，壩頂處達到最小值，為-0.33MPa。Z方向(豎直高程)應力由上至下依次增大，最大值為-1.66MPa。

設計洪水位作用下，剛性防滲墻方案中，防滲墻墻體所受第一應力值從下至上依次減小，最小值為-0.10MPa，壩體心墻應力較大，沿河流方向(Y方向)所受應力值具體表現為壩體兩側較小的形變，從壩頂至壩底，應力值逐漸增大，在壩底處達到最大值，為-1.69MPa，豎直高程(Z方向)所受應力值由上至下依次增大，最大值為-1.89MPa。剛塑性防滲墻方案中，防滲墻墻身所受第一主應力值由上至下逐漸變大，最大值為-0.93MPa。壩體心墻處所受應力值較大，沿河流方向(Y方向)所受應力值由壩頂至壩底逐漸變大，在壩底處出現最大值，為-2.06MPa，Z方向(豎直高程)應力值由下至上依次減小，最小值為-0.27MPa。

3 兩方案防滲墻組合應變分析

3.1 施工期最大水位應變分析

圖4為施工期最大水位下P1剖面在水平方向與豎直方向的位移圖，由圖可知，在施工期最大水位作用下，剛性防滲墻方案中，防滲墻在豎直方向防滲墻中部附近發生最大沉降量，數值為35.23cm，水平方向在防滲墻與基巖接觸處上方出現最大位移值，其數值為15.39cm。而在剛塑性防滲墻組合方案中，豎直方向最大沉降量發生在剛塑性防滲墻中部，為36.88cm，水平方向最大位移值出現在基巖與防滲墻交界處上方，最大值為14.33cm。

圖4 施工期最大水位下P1剖面位移圖

3.2 運行期應變分析

圖5為運行期P1剖面水平及豎直位移分布圖，由圖可得，在不同的水位作用下，壩體產生的位移值也不相同。在設計洪水位作用下，剛性防滲墻方案中，豎直方向的最大沉降值出現在剛性防滲墻中部，其數值為33.29cm，水平方向最大位移值出現在基巖與防滲墻交界處附近，最大位移值為18.89cm。剛塑性防滲墻組合方案中，數值方向最大沉降值出現在剛塑性防滲墻中部上方，最大沉降量為40.21cm，水平位移出現在基巖與防滲墻交界附近，最大值為12.28cm。

圖5 運行期P1剖面水平及豎直位移分布圖

興利水位作用下，剛性防滲墻豎直方向最大沉降量出現在剛性防滲墻中部上方，最大沉降量為42.33cm，水平方向最大位移值出現在基巖與剛性防滲墻交界處，最大值為16.69cm。剛塑性防滲墻組合方案中，豎直方向最大沉降量出現在剛塑性防滲墻中部，數值為29.99cm，最大水平位移出現在基巖與剛性防滲墻交界處，為34.68cm。

校核洪水位作用下，剛性防滲墻方案中，豎直方向的最大沉降量出現在剛性防滲墻中部上方，最大沉降量為30.33cm，水平方向最大位移值出現在基巖與剛性防滲墻交界處，數值為12.99cm。而在剛塑性防滲墻組合方案中，豎直方向最大沉降量出現在剛塑性防滲墻中部上方，數值為41.22cm，水平方向最大位移出現在基巖與剛塑性防滲墻交界處，最大位移值為11.19cm。

4 結論

針對英守水庫土石壩實際施工需要，利用ADINA有限元分析軟件對壩身進行有限元分析并建立三維模型，探究了不同工況下壩體的應力與應變規律，結果表明：

在應力及應變允許范圍內，兩方案所得結果相差不大，但由于壩體上部為新筑壩體，在實際運行的初期，產生的沉降量較大，結合壩體并未經歷高水位考驗，所以采用剛塑性防滲墻組合較為合適。

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