基于ABAQUS數(shù)值的混凝土防滲墻內(nèi)力及變形敏感性分析

張蔚雯

(江西省水投建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

防滲墻時(shí)大壩安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素。其中，混凝土防滲墻由于施工簡(jiǎn)單和防滲性好的優(yōu)點(diǎn)本廣泛應(yīng)用于土石壩及堆石壩工程中。針對(duì)混凝土防滲墻的內(nèi)力及變形影響因素是國(guó)內(nèi)外目前研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。蔣凱樂等[1]基于原位試驗(yàn)及數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了塑性混凝土防滲墻土反力系數(shù)的計(jì)算方法。結(jié)果表明，提出的計(jì)算方法可以有準(zhǔn)確的反演塑性混凝土防滲墻土壓力系數(shù)，并在時(shí)間工程中得到驗(yàn)證。梁巖等[2]基于三維有限元系統(tǒng)的研究了深槽地基土加固方法對(duì)防滲墻的影響。結(jié)果表明，加固砂卵石層地基可顯著降低防滲墻的變形、內(nèi)力及應(yīng)力，顯著提高防滲墻的安全性。侯毅等[3]基于三維有限元研究了花坪河面板堆石壩應(yīng)力變形影響因素。結(jié)果表明，大壩主要受壓應(yīng)力作用，且最大壓應(yīng)力明顯小于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度。此外，面板中部主要為受壓狀態(tài)，而在兩岸岸坡為受拉狀態(tài)，面板發(fā)生張拉變形的垂直縫主要集中在兩岸。孫明權(quán)和常躍[4]采用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論系統(tǒng)的研究了影響混凝土防滲墻內(nèi)力及變形的因素。結(jié)果表明，墻端約束形式、基巖強(qiáng)度及壩體材料均會(huì)對(duì)混凝土防滲墻墻體位移和應(yīng)力產(chǎn)生影響，其中材料參數(shù)是影響防滲墻變形的主要原因。謝江松等[5]基于數(shù)值分析算法，系統(tǒng)的研究石壩防滲墻內(nèi)力與變形特性。結(jié)果表明，在蓄水工況下，防滲墻上、下游側(cè)水平應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且隨深度增加而增加。此外，基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果可對(duì)防滲墻進(jìn)行配筋驗(yàn)算。

考慮到目前在進(jìn)行土石壩相關(guān)分析中，大多數(shù)的研究?jī)H針對(duì)單一剛度的防滲墻進(jìn)行研究，本文在前人的基礎(chǔ)上，本文建立數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)的研究防滲墻變形影響因素。本文的研究可為防滲墻的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供工程參考。

1 工程概況與數(shù)值模型

1.1 數(shù)值模型

本文研究的土石壩為典型的III型水利工程。最大壩高+60m，頂寬10m，底部最大寬度為250m。根據(jù)鉆孔資料揭示，大壩巖土體由上到下分別為砂卵石層，砂礫石層和弱風(fēng)化基巖層，基巖最要是流紋至斑巖層。兩側(cè)坡比按照階梯式而不同。由于大壩運(yùn)營(yíng)時(shí)間比較長(zhǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壩體局部出現(xiàn)裂縫，下由坡腳位置出現(xiàn)管涌破壞。為例保證大壩的安全運(yùn)營(yíng)，需對(duì)大壩進(jìn)行加固處理。加固方法主要為采用塑性混凝土防滲墻，墻體厚度為0.8m。墻體軸線與大壩軸線重合。防身器嵌入基巖深度為1.0m，防滲墻混凝土彈性模量為5GPa，本文的分析就是針對(duì)加固后的防滲墻進(jìn)行計(jì)算分析。典型斷面如圖1所示。

圖1 大壩典型剖面圖

為了研究防滲墻力學(xué)性能差異。采用ABAQUS，根據(jù)壩體典型剖面建立數(shù)值計(jì)算模型。其中順河流方向設(shè)為x軸，高度方向?yàn)閦軸。覆蓋層以巖土體采用Duncan-Chang本構(gòu)模型。混凝土材料采用均值線彈性模型，混凝土彈性模量為1GPa，泊松比為0.20。此外，防滲墻與覆蓋層增加Goodman接觸面單元，接觸面單元參數(shù)取值為K1=2500，n=0.667，Rf=0.76，α=38°。其他材料的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)匯總

1.2 計(jì)算工況

本文的計(jì)算工況主要考慮施工期分層填筑和蓄水期的大壩內(nèi)力及變形過程。具體工況為首先考慮施工期低蓄水位下大壩的內(nèi)力和變形，并在此基礎(chǔ)上醉臥蓄水的初始狀態(tài)，蓄水過程主要可分為5步。一次改變防滲墻彈性模量和泊松比進(jìn)行計(jì)算大壩的內(nèi)力和變形。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土剛度對(duì)防滲墻應(yīng)力和變形影響

混凝土彈性模量對(duì)小主應(yīng)力的影響及混凝土彈性模量對(duì)小主應(yīng)力的影響，如圖2所示。圖2表明，防滲墻的最小主應(yīng)力隨墻的高程增大而增大，當(dāng)混凝土彈性模量小于5GPa時(shí)，最小主應(yīng)力的變化幅度較小，且防滲墻全部處于受壓狀態(tài)。墻頂局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，但整體表較小，最大低于0.2MPa，處于可控狀態(tài)。當(dāng)混凝土彈性模量大于5GPa時(shí)，防滲墻的最小主應(yīng)力變化速率增大，在墻頂局部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，最小拉應(yīng)力為2MP，此時(shí)超過了混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，有可能出現(xiàn)墻體開裂問題。實(shí)際工程中也發(fā)現(xiàn)了與數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致的開裂現(xiàn)象。混凝土防滲墻的大主應(yīng)力高程增大而增大，在相同高程位置處，彈性模量越大，防滲墻最大主應(yīng)力越大。其中當(dāng)混凝土彈性模量為1GPa時(shí)，墻頂處的最大主應(yīng)力為1.8MPa，當(dāng)混凝土彈性模量增大至25MPa時(shí)，最大主應(yīng)力的值為8.3MPa，且防滲墻多處于受壓狀態(tài)，如圖3所示。

圖2 混凝土彈性模量對(duì)小主應(yīng)力的影響

圖3 混凝土彈性模量對(duì)大主應(yīng)力的影響

混凝土彈性模量對(duì)位移的影響，如圖4所示。結(jié)果表明，混凝土防滲墻的變形隨高程增大而增大，最大變形位置主要出現(xiàn)在墻頂位置處。其他條件相同的情況下，混凝土彈性模量對(duì)墻的變形影響非常小。總體來看，防滲墻在不同彈性模量的混凝土工況下，最大水平位移出現(xiàn)在墻頂?shù)?60mm，相對(duì)較小滿足規(guī)范安全性要求。因此，實(shí)際工程中，其中，K為模量參數(shù)，n為無量綱指數(shù)，Rf為破壞比系數(shù)，m為體積模量指數(shù)墻體的主應(yīng)力受混凝土彈性模量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墻體變形受混凝土彈性模量的影響。

圖4 混凝土彈性模量對(duì)位移的影響

2.2 墻體厚度對(duì)防滲墻應(yīng)力和變形影響

為研究防滲墻厚度對(duì)墻體內(nèi)力及變形的影響。本文假定防滲墻的彈性模量為5GPa，分別計(jì)算了混凝土防滲墻厚度為0.4，0.8和1.2m工況下，墻體的內(nèi)力和變形。防滲墻小主應(yīng)力隨高程的增大而減小，在高程相同的情況下，防滲墻厚度對(duì)墻的小主應(yīng)力應(yīng)力并不顯著，如圖5所示。在防滲墻的墻頂局部出現(xiàn)拉應(yīng)力。最大拉應(yīng)力分別為-0.2、-3.0和-2.8MPa。防滲墻厚度對(duì)大主應(yīng)力的影響如圖6所示。結(jié)果表明，大主應(yīng)力隨高程的增大而減小，隨厚度的增大而減小。總體來看，防滲墻厚度對(duì)小主應(yīng)力的影響程度要大于對(duì)大主應(yīng)力的影響程度。防滲墻厚度對(duì)位移的影響如圖7所示。結(jié)果表明，3種不同厚度下墻體的水平位移曲線基本重合，證明混凝土防滲墻的厚度對(duì)水平位移影響并不顯著。此外，墻的水平位移隨高程增大而增大，三種厚度下墻體最大位移為160mm。綜合來看，不同壩高、不同剛度混凝土下防滲墻的抗壓強(qiáng)度均小于極限值，大壩在運(yùn)營(yíng)期存在的安全隱患較小[6]。

圖5 防滲墻厚度對(duì)小主應(yīng)力的影響

圖6 防滲墻厚度對(duì)大主應(yīng)力的影響

圖7 防滲墻厚度對(duì)位移的影響

根據(jù)以上的分析，實(shí)際工程中，為施工簡(jiǎn)單，通常在防滲墻內(nèi)部并不施加鋼筋。因此計(jì)算中不允許墻體出現(xiàn)拉應(yīng)力。對(duì)于大壩高度較大的工程，一般混凝土彈性模量不能超過5GPa。而對(duì)于小于20m的壩體，一般可采用常規(guī)混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，為例保證防滲墻及大壩有較好的變形能力，通常要求防滲墻為塑性防滲墻，宜采用低彈性模量的混凝土進(jìn)行澆筑。對(duì)于重要性工程，應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)及數(shù)值模擬進(jìn)行精確判斷選取。

3 結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬研究了混凝土防滲墻內(nèi)力及變形影響因素，系統(tǒng)的分析了混凝土剛度及防滲墻厚度對(duì)墻內(nèi)力及變形的影響，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)防滲墻的最大主應(yīng)力隨墻的高程增大而增大，混凝土防滲墻的變形隨高程增大而增大，最大變形位置主要出現(xiàn)在墻頂位置處。綜合來看，混凝土彈性模量對(duì)墻的變形影響非常小。在不同彈性模量的混凝土工況下，最大水平位移出現(xiàn)在墻頂?shù)?60mm。

(2)防滲墻小主應(yīng)力和和大主應(yīng)力隨高程的增大而減小。總體來看，防滲墻厚度對(duì)小主應(yīng)力的影響程度大于對(duì)大主應(yīng)力的影響程度，墻體厚度對(duì)墻的變形影響不顯著。

(3)通常在防滲墻內(nèi)部并不施加鋼筋。因此計(jì)算中不允許墻體出現(xiàn)拉應(yīng)力。對(duì)于大壩高度較大的工程，一般混凝土彈性模量不能超過5GPa。而對(duì)于小于20m的壩體，一般可采用常規(guī)混凝土，結(jié)合試驗(yàn)及數(shù)值模擬進(jìn)行精確判斷選取。