復雜地質條件下混凝土防滲墻設置方案數值分析

徐曉英

(青海省水利水電勘測設計研究院，青海 西寧 810000)

1 概述

某水庫位于青海省境內，其土石壩采用黏土心墻壩形式，心墻下設防滲墻，采用全封閉防滲系統。大壩壩頂高程3402.6m，心墻底清基高程3372.2m，最大壩高30.4m，上游壩坡為1∶2.25，下游壩坡為1∶2.0。有關混凝土防滲墻的研究已取得了一定進展，包括針對大壩塑性混凝土防滲墻防滲性能開展的仿真分析，對土石壩低彈性模量混凝土防滲墻特性數值分析，對塑性混凝土防滲墻的抗滲性能研究，對深覆蓋層上面板堆石壩防滲墻特性影響因素的研究。該水庫土石壩地質條件復雜，防滲墻與壩基覆蓋層剛度相差較大，為防止其產生不均勻沉降而導致防滲墻受到的拉、壓應力超過其允許強度而產生破壞。在前人研究的基礎上，利用有限元軟件對設置的三種方案開展了數值模擬優化分析。

2 計算方法

2.1 模型建立

粉質粘土心墻砂殼壩從上游到下游共劃分為6個分區：Ⅰ區(壩體圍堰結合區)、Ⅱ區(上游砂礫石壩殼)、Ⅲ區(心墻上下游反濾層)、Ⅳ區(粉質粘土心墻)、Ⅴ區(下游砂礫石壩殼)、Ⅵ區(排水棱體)。復雜地基劃分為6層：Ⅰ層(稍密-中密沖積礫石層)、Ⅱ層(中密-密實沖積礫石層)、Ⅲ層(全新統密實礫石層)、Ⅳ層(安山巖風化層2)、Ⅴ層(安山巖微風化-新鮮層)、Ⅵ層(壩體下大斷層)。

三維模型網格剖分考慮了壩體6個分區、復雜地基6個分層、防滲墻以及防滲墻與壩基覆蓋層之間的接觸面，模型上下游分別取1.5倍壩高，模型共計單元121460個，節點162323個。計算過程中假定土石壩蓄水之前，壩體沉降已經完成。計算模擬了基礎清理、防滲墻施工及土石壩施工，壩體竣工以后蓄水至校核洪水位幾種工況。

2.2 模型邊界條件

數值模擬時，以上覆巖體的重量作為豎向應力，進行初始應力計算。邊界條件的選取直接影響到計算結果的正確性。根據現場勘查，結合工程實際，對計算模型施加速度邊界條件：前邊界(X=0m)、后邊界(X=210m)，X向約束；前邊界(Z=-41.7663)、后邊界(Z=516.247m)Z向約束；模型底面(Y=0)固定，模型頂面自由。大壩三維整體計算模型如圖1所示。

圖1 大壩三維整體計算模型

表1 模型計算參數

2.3 模型參數

壩體和壩基選用Mohr-Coulomb本構模型，剛、塑性混凝土分別采用線彈性、Mohr-Coulomb本構模型，為較能精確反映出各種材料的受力特性，根據收集的工程地質資料，采用工程類比法，最終確定的模型計算參數見表1。

2.4 計算方案

混凝土防滲墻均采用剛性混凝土(C30、C25、C15)和塑性混凝土(彈性模量為3000MPa、1000MPa、500MPa)，而刺墻分別采用C20和彈性模量為1000MPa混凝土以及不設刺墻。計算方案見表2。

表2 計算方案

3 計算結果

3.1 方案一結果分析

方案一防滲墻應力計算結果如圖2所示，防滲墻的垂直位移和水平位移計算結果如圖3所示。

圖2 方案一防滲墻應力計算結果

圖3 方案一防滲墻位移計算結果

3.1.1防滲墻應力分析

(1)最小主應力分析

混凝土防滲墻彈性模量與自身受到的壓應力約呈正相關關系。

C35、C30、C25、C15混凝土防滲墻最大壓應力分別為23.3、23.2、23、21.9MPa，剛性混凝土防滲墻壓應力最大值發生在距離防滲墻底部1/3位置附近。隨著剛性混凝土彈性模量的增大，其自身受到的壓應力基本穩定。C25、C30、C35混凝土受到的壓應力滿足要求，C15、C20混凝土受到的壓應力不滿足要求。

塑性混凝土防滲墻受到的壓應力明顯比剛性混凝土小，隨著彈性模量的減少，防滲墻受到的壓應力明顯減少。彈性模量為3000、1000、500MPa的混凝土防滲墻最大壓應力分別為5.99、4.93、3.67MPa。彈性模量為3000MPa的混凝土防滲墻受到的最大壓應力在距離防滲墻底1/3位置附近，且分布范圍較大，彈性模量為1000MPa和500MPa的混凝土防滲墻受到的最大壓應力分布范圍較小，基本存在于與基巖接觸的部分。其中500、1000MPa混凝土防滲墻大面積受到的壓應力分別小于2.5、3.0MPa。由于塑性混凝土要求的抗壓強度不低于5MPa，即塑性混凝土防滲墻受到的壓應力滿足自身的抗壓強度要求。

(2)最大主應力分析

混凝土防滲墻受到較大的拉應力，均超過規定的抗拉強度，將可能產生破壞。

剛性混凝土防滲墻受到的拉應力值較大，拉應力區域分布在防滲墻頂部兩個邊角以及防滲墻的底部位置附近，最大值發生在防滲墻頂端與刺墻和安山巖接觸的位置附近。可能是由于這兩處刺墻和安山巖對其約束較大導致的。其中C35、C30、C25、C15混凝土防滲墻受到的拉應力最大值分別為6.12、5.71、5.08、4.25MPa，超過其自身抗拉強度。同時在防滲墻中間最底部存在較大的拉應力，數值約在3.48MPa左右。由于此處斷層為碎石，變形參數數值較小，在建筑物和土壓力的作用下易發生變形，使防滲墻與壩基覆蓋層易產生較大的拉應力和壓應力。因此在施工時，應注意斷層處理。

塑性混凝土防滲墻受到的拉應力值亦較大，但其拉應力區域相比于剛性混凝土防滲墻大幅度減少。塑性混凝土防滲墻的拉應力區域主要分布在防滲墻頂部與刺墻相接觸的兩個邊角處，可能是由于此處防滲墻變形較大，但受到了刺墻的約束。因此可以通過減少刺墻的彈性模量來減少塑性混凝土防滲墻所受到的拉應力。其中，彈性模量為3000、1000、500MPa的混凝土防滲墻所受最大拉應力分別為6.79、6.55、3.14MPa。均超過混凝土抗拉強度。

3.1.2防滲墻應變分析

(1)防滲墻垂直位移分析

隨著混凝土彈性模量的增加以及防滲墻深度的增大，混凝土防滲墻的垂直位移均逐漸減少，位移最大值發生在頂部。對于剛性混凝土防滲墻而言，垂直位移很小，而對于塑性混凝土而言，垂直位移較大，基本與壩基覆蓋層變形相一致。其中C35、C30、C25、C15混凝土防滲墻最大垂直位移分別為3.46、3.56、3.77、4.41cm，彈性模量為3000、1000、500MPa的混凝土防滲墻最大垂直位移分別為11.96、13.02、14.90cm。

(2)防滲墻水平位移分析

隨著混凝土彈性模量的增大，水平位移值變化不大；防滲墻頂部存在向下游的變形，防滲墻底部存在向上游的變形。水平位移最大值發生在防滲墻頂部。其中C35、C30、C25、C15混凝土防滲墻最大水平位移分別為1.03、1.02、1.03、0.83cm，彈性模量為3000、1000、500MPa混凝土防滲墻最大水平位移值分別為1.96、1.75、1.54cm。由于混凝土防滲墻水平位移值較小，即撓度較小，在壩體竣工期后(水庫未蓄水)可能不會對混凝土防滲墻結構產生較大的影響。

3.2 方案二結果分析

由方案一計算結果可知：剛、塑形混凝土防滲墻均在刺墻與防滲墻接觸的部位存在較大的拉應力，因此方案二對刺墻彈性模量進行改善分析時刺墻采用1000MPa混凝土材料。

通過計算可知，隨著混凝土彈性模量的減少，混凝土受到的壓應力逐漸減少。通過對比刺墻為C20的混凝土防滲墻受力可以發現，彈性模量為1000MPa的刺墻和心墻受力得到了明顯的改善，拉、壓應力數值變小；剛性混凝土受到的最大壓應力并沒有減少，塑性混凝土受到的最大壓應力有所減少。對于剛性混凝土防滲墻，刺墻和心墻拉應力得到了改善，數值明顯變小；對于塑性混凝土防滲墻，刺墻和心墻拉應力改善效果明顯，刺墻及心墻已不存在拉應力區域，受力狀況較好。

綜上所述，可知刺墻采用塑性混凝土效果較好，改善了防滲墻頂部及刺墻、心墻受力狀況，有利于防滲墻及刺墻、心墻的耐久性。

3.3 方案三結果分析

從計算結果中可知，刺墻采用塑形混凝土進行施工有利于減小防滲墻及刺墻受力，因此方案三模擬不設置刺墻。由于在施工過程中，粘土心墻內存在土工膜，因此，實際中可以不設置刺墻，改善粘土心墻和防滲墻受力，使其滿足要求。

計算結果表明不設刺墻防滲墻頂部受到的拉、壓應力數值減小；心墻底部拉應力明顯減少。即不設刺墻改善了防滲墻受力，有利于其穩定。

4 結論

(1)當刺墻采用剛性混凝土時，防滲墻頂部存在較大的拉、壓應力，不利于防滲墻的受力穩定；當刺墻采用塑性混凝土或不設刺墻時，剛性混凝土防滲墻頂部拉應力得到明顯的改善，拉應力值大幅度減少，塑性混凝土防滲墻不存在拉應力區域，受力狀況良好，滿足抗拉強度要求。

(2)隨著混凝土彈性模量增加以及防滲墻深度增大，混凝土防滲墻的垂直位移均逐漸減少，位移最大值發生在頂部；混凝土防滲墻的彈性模量對自身的水平位移及壩體的變形影響均較小。