水位升降作用下大壩防滲數值模擬研究

白生貴

（吐魯番市清源水利水電勘測設計院有限公司，新疆 吐魯番 838000）

1 引言

據調查，滲流相關的研究主要集中于大壩防滲穩定性方面。胡福洪等基于正交試驗方法研究了塑性混凝土材料性能。結果表明，粉煤灰的摻入對混凝土的抗滲強度無積極影響，但可以降低混凝土防滲墻的成本。當膨潤土摻量為20 kg/m3時，混凝土防滲墻的抗壓強度達20.90 MPa，抗滲強度達到0.90 MPa。王春光基于數值模擬研究了塑性混凝土防滲墻彈性模量對防滲性能的影響。結果表明，適當增大水膠比和砂率以及減小水泥用量，同時增加膨潤土的用量可以較好地控制防滲墻的塑性變形。劉鋼等基于室內力學試驗研究了復摻膠粉、硅粉、粉煤灰防滲墻塑性混凝土力學性能。結果表明，膠粉和粉煤灰對塑性混凝土的抗滲性起到負面作用，而硅粉對混凝土的抗滲性起到積極影響。

建立數值計算模型，研究水位波動下混凝土防滲墻內力及變形規律，可為大壩防滲墻的設計及加固工程提供參考。

2 工程概況與數值模型

壩體為典型土石壩加固工程，其中舊壩體與覆蓋層采用塑性混凝土防滲墻處理。壩頂高程、壩高及壩頂寬分別為1 137、36.80 和6 m。防滲墻厚0.80 m，深度約60 m，由上到下分別出露巖層為覆蓋層、強風化及弱風化基巖。壩體為黏性土，防滲墻布置在壩軸線上游1.80 m處，嵌固段深度約5.00 m。見圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

根據大壩典型剖面，建立數值計算模型。為了模擬防滲墻和巖土體的接觸，在兩者之間設置了Goodman接觸單元。最終模型網格總數32 100個，節點單元33 258個。假定河水流向為X軸，與河水流向垂直為Y軸。數值模型網格劃分均采用四邊形單元。防滲墻及巖土體本構為鄧肯-張模型。考慮灌漿帷幕與排水棱體接觸面積較小，因此建模和計算中忽略了該部分。計算模型中材料參數見表1所示。

表1 材料物理力學參數匯總表

3 結果與分析

3.1 防滲墻變形規律

圖2 為蓄水前后防滲墻的水平和豎向位移。防滲墻在蓄水前后產生的位移變化規律基本相同，水平位移表現出向下游傾斜的趨勢。圖2（a）表明，蓄水后的大壩水平位移大于蓄水前，且最大位移均出現在墻頂位置。蓄水前后防滲墻的水平位移均隨高程的變化而增大，蓄水前墻頂最大位移110 mm，蓄水后220 mm。圖2（b）結果表明，蓄水前后，防滲墻的豎向位移基本保持相同，且兩者均隨高程增大而增大，最大豎向位移260 mm。綜合來看，蓄水對墻體垂直變形影響較小。

圖2 塑性防滲墻變形

3.2 防滲墻內力分析

圖3 為蓄水前后防滲墻在上游面和下游面的最大主應力分布規律。在蓄水前，上游面和下游面最大主應力的變化規律基本相同。其中，上游面和下游面最大主應力隨高程的增大而先增大后減小。上游面墻底處最大主應力基本為0，墻頂處的最大主應力為1 150 kPa，下游面墻底處最大主應力基本為0，墻頂處的最大主應力為1 250 kPa。蓄水后上游面和下游面最大主應力隨高程的變化無明顯規律。上游面墻底處最大主應力基本800 kPa，而墻頂處最大主應力1 250 kPa，下游面墻底處最大主應力基本1 180 kPa，墻頂處最大主應力1 150 kPa。

圖3 塑性防滲墻最大主應力分布圖

分析蓄水前后防滲墻在上游面和下游面的最小主應力分布情況，在蓄水前上游面和下游面最小主應力的變化規律基本相同。上游面和下游面最小主應力隨高程的增大基本保持不變。但在墻體和覆蓋層接觸的地方，由于應力集中導致主應力出現較大的增長。其中蓄水前上游面在交界面位置最小主應力值為400 kPa，而蓄水后下游面在交界面位置處的最小主應力值為650 kPa。出現這一現象的主要原因是蓄水后墻體在中下部上游面出現了較大水壓力。在水壓力的作用下，圍壓提高，導致最小主應力增大。

分析蓄水前后防滲墻在上游面和下游面豎向應力分布情況，在蓄水前上游面和下游面豎向應力變化規律基本相同。上游面和下游面豎向應力隨高程增大而先增大后減小。上游面墻底處豎向應力1 200 kPa，墻頂處豎向應力1 150 kPa，下游面墻底處豎向應力1 100 kPa，墻頂處豎向應力1 200 kPa。蓄水后上游面和下游面豎向應力隨高程變化無明顯規律。上游面墻底處豎向應力1 150 kPa，墻頂處豎向應力1 100 kPa，下游面墻底處豎向應力920 kPa，墻頂處豎向應力1 260 kPa。

3.3 塑性混凝土模量變化對墻體的影響分析

表2 為不同模量下混凝土材料對防滲墻內力及變形的影響。由表可知，在彈性模量分別等于3×103Pa、5×103Pa和8.5×103Pa的工況下，隨彈性模量增大，墻體變形逐漸減小，墻體最大主應力和最小主應力均有增大趨勢。當彈性模量為8×103Pa 時，墻體下游出現拉應力，對防滲墻的穩定性產生不利影響。綜合來看，當混凝土彈性模量增大時，模量對防滲墻的受力狀態影響不明顯，防滲墻的剛度隨混凝土模量降低而減小；當混凝土模量增大時，由于防滲墻的剛度提高，防滲墻局部出現受拉區。對于防滲墻混凝土剛度的選取要綜合考慮研究區工程地質條件以及壩體選型等多種因素。

表2 塑性混凝土模量對墻體內力影響表

4 結語

①防滲墻在蓄水前后產生的位移變化規律基本相同。②防滲墻在蓄水前后均處于受壓狀態，不同部位最大應力不超過2.50 MPa是安全的。③隨彈性模量的增大，墻體變形逐漸減小。