土石壩防滲墻特性參數(shù)對壩體穩(wěn)定性影響分析

白生貴

（吐魯番市清源水利水電勘測設(shè)計院有限公司，新疆 吐魯番 838000）

1 引言

防滲墻是一種有效的水力大壩的防滲手段，具有施工簡便和防滲性能好的優(yōu)點，既有研究主要集中于防滲墻的防滲效果及滲流規(guī)律。崔熙燦等基于有限元數(shù)值模擬系統(tǒng)研究了瀝青混凝土心墻及壩基防滲墻應(yīng)力及變形規(guī)律。崔宏偉基于數(shù)值模擬系統(tǒng)研究了大壩防滲墻不同的特征參數(shù)對壩體穩(wěn)定性的影響。韓勇基于Geo-slope/seep 模塊建立數(shù)值計算模型，系統(tǒng)分析了土石壩防滲墻在不同深度下壩體內(nèi)的滲流規(guī)律。鄒福華基于三維滲流原理，系統(tǒng)研究了地質(zhì)構(gòu)造影響下的滲透與應(yīng)力變形規(guī)律。劉菊蓮基于ANSYS數(shù)值有限元研究了防滲墻對某水庫地下滲流場影響規(guī)律。張富有等基于隨機有限元系統(tǒng)研究了參數(shù)空間變異性下壩基防滲墻地震反應(yīng)。

防滲墻特征參數(shù)是影響壩體穩(wěn)定的的主要因素，因此，如何科學的選取防滲墻參數(shù)是目前研究的重點，基于此，建立數(shù)值計算模型，系統(tǒng)研究了彈性模量、心墻厚度及心墻位置對壩體穩(wěn)定性的影響。研究可以在大壩除險加固中提供參考。

2 數(shù)值模型

2.1 模型概述

研究的土石壩為帶混凝土防滲墻的土石壩。該大壩的壩基分為三層，第一層為覆蓋層，厚度為5 m；第二層為強風化基巖層，厚度為10 m，第三層為弱風化基巖層，厚度為10 m。模型的邊界條件為防滲墻為完全不透水層，邊界為墻體。假定河水流向為X軸，與河水流向垂直的為Y軸。見圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

2.2 數(shù)值計算模型參數(shù)

根據(jù)研究內(nèi)容及室內(nèi)土工試驗，匯總得到文中數(shù)值計算中個材料參數(shù)的取值見表1 所示。其中巖土體計算本構(gòu)假定為摩爾-庫倫本構(gòu)，混凝土防滲墻采用各向同性線彈性本構(gòu)模擬。

表1 材料物理力學參數(shù)匯總表

3 結(jié)果與分析

3.1 防滲墻彈性模量對壩體穩(wěn)定性的影響

分別計算了防滲墻彈性模量為35、25、15 GPa 和1 GPa 工況下壩體的變形和內(nèi)力分布規(guī)律見表2。圖2（a）為混凝土彈摸為15 GPa的結(jié)果匯總。表明，在該種工況下，壩體位移隨高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趨勢呈曲線增大，而y方向的位移基本為零。其中x 方向最大位移出現(xiàn)在墻頂?shù)?5 mm。圖2（b）表明，壩體第一主應(yīng)力的變化隨壩體高程表現(xiàn)出折線增大的趨勢。最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在高程為35 m的位置，最大值為0.10 MPa，但在高程為10 m 位置出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，最大值為-0.70 MPa。但該拉應(yīng)力最大值小于混凝土強度值，壩體時穩(wěn)定的。圖2（c）結(jié)果表明，壩體第三主應(yīng)力隨高程變化趨勢基本與第一主應(yīng)力變化趨勢相同。第三主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在墻頂位置，最大值為-1 MPa，而在高程為10 m位置處，第三主應(yīng)力發(fā)生突變，該處第三主應(yīng)力的最大值為-0.70 MPa。第三主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，但仍小于混凝土極限抗壓強度。綜合來看，混凝土防滲墻以受壓為主，當混凝土彈性模量為15～25 GPa時，壩體是安全的。

表2 彈性模量對壩體穩(wěn)定性影響表

圖2 防滲墻模量對壩體穩(wěn)定性的影響圖

3.2 防滲墻厚度對壩體穩(wěn)定性的影響

分別計算了防滲墻厚度為0.40、0.60、0.80 m和1 m工況下壩體的變形和內(nèi)力分布規(guī)律見表3 所示。圖2（a）為混凝土防滲墻厚度為0.60 m的結(jié)果匯總。表明，在該種工況下，壩體位移隨高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趨勢呈曲線增大，而y 方向的位移基本為零。其中x 方向最大位移出現(xiàn)在墻頂?shù)?8 mm。圖2（b）表明，壩體第一主應(yīng)力的變化隨壩體高程表現(xiàn)出折線增大的趨勢。最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在高程為35 m的位置，最大值為0.10 MPa，但在高程為10 m位置出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，最大值為-0.70 MPa。但該壓應(yīng)力最大值小于混凝土強度值，壩體時穩(wěn)定的。圖2（c）結(jié)果表明，壩體第三主應(yīng)力隨高程變化趨勢基本與第一主應(yīng)力變化趨勢相同。第三主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在墻頂位置，最大值為-0.10 MPa，而在高程為10 m位置處，第三主應(yīng)力發(fā)生突變，該處第三主應(yīng)力的最大值為-0.70 MPa。綜合來看，防滲墻以受壓為主，且防滲墻的厚度越大，第三主應(yīng)力的絕對值越小，大壩越安全。

表3 防滲墻厚度對壩體穩(wěn)定性影響表

3.3 防滲墻位置對壩體穩(wěn)定性的影響

分別計算了防滲墻位置為2、4、6 m和8 m工況下壩體的變形和內(nèi)力分布規(guī)律。圖2（a）為防滲墻距離上游壩頂6 m 工況下的結(jié)果匯總。表明，在該種工況下，壩體位移隨高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趨勢呈曲線增大，而y 方向的位移基本為零。其中x方向最大位移出現(xiàn)在墻頂?shù)?0 mm。圖2（b）表明，壩體第一主應(yīng)力的變化隨壩體高程表現(xiàn)出折線增大的趨勢。最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在高程為35 m 的位置，最大值為0.10 MPa，但在高程為7 m位置出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，最大值為-0.90 MPa。但該拉應(yīng)力最大值小于混凝土強度值，壩體是穩(wěn)定的。圖2（c）結(jié)果表明，壩體第三主應(yīng)力隨高程變化趨勢基本與第一主應(yīng)力變化趨勢相同。第三主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在墻頂位置，最大值為-1 MPa，而在高程為7 m位置處，第三主應(yīng)力發(fā)生突變，該處第三主應(yīng)力的最大值為-5.20 MPa。綜合來看，防滲墻距上游壩頂距離越小，第三主應(yīng)力絕對值越小，壓應(yīng)力越小，防滲墻越較安全。

4 結(jié)論

①當混凝土防滲墻的彈性模量為15 GPa時，壩體位移隨高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趨勢呈曲線增大，而y方向的位移基本為零。混凝土防滲墻以受壓為主，當混凝土彈性模量15～25 GPa時壩體安全。②壩體第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力隨高程變化表現(xiàn)出波動變化趨勢。隨防滲墻的厚度越大，第三主應(yīng)力的絕對值越小，大壩越安全。③防滲墻距上游壩頂距離越小，第三主應(yīng)力絕對值越小，壓應(yīng)力越小防滲墻越穩(wěn)定。