基于數值模擬的堆石壩防滲墻內力與變形分析

李佳聰

(大連市水利建筑設計院有限公司,遼寧 大連 116100)

1 概 述

混凝土防滲墻是目前大壩防滲體系的主要結構形式。針對混凝土防滲墻的內力及變形規律,許多學者進行了相關研究。包騰飛等[1]基于非線性有限元,系統研究了深厚覆蓋層上面板堆石壩的防滲布置最優方式。結果表明,采用單連接板和單防滲墻體系的防滲方案是具有結構簡單、造價低的防滲布置方案。溫立峰等[2]基于數值分析,研究了深覆蓋層上面板堆石壩的防滲墻應力變形規律。結果表明,大壩采用分期填筑的方式,可以有效降低防滲墻的變形,其中防滲墻的貫入深度越大,大壩的安全性越高。邵磊等[3]基于接觸面單元,分析了堆石壩心墻內增設加固防滲墻的結構特性。結果表明,水位升降是引起防滲墻變形的主要原因,壩軸線中部防滲墻是薄弱位置,設計時應合理增強。吳夢喜等[4]基于有限元,研究了瀑布溝高心墻堆石壩壩基防滲墻與心墻連接方式。結果表明,實際工程中采用高塑性黏土僅設置于混凝土結構頂部,有利于心墻變形和施工進度。劉奉銀等[5]基于數值計算,分析了防滲墻深度對大壩滲流穩定性的影響。結果表明,閉式防滲墻可以有效控制滲流場,并對邊坡穩定性的提高具有積極影響。謝興華等[6]研究了深厚覆蓋層壩基防滲墻深度計算方法。結果表明,實際工程中防滲墻深度與覆蓋層深度之比為0.7,屬于最優深度。沈洪俊等[7]基于滲流理論和復變函數模型,系統研究了堆石壩心墻與防滲墻不同聯結方式抗滲性能。結果表明,硬軟兩種接頭方案均滿足抗滲性能要求。相對軟接頭而言,硬結構施工簡單,有效抗滲長度較大,而軟結構可以更好適應地基不均勻沉降,大大降低心墻和防滲墻的應力集中,實際工程中應針對不同的條件選取。

本文建立數值計算模型,系統研究防滲墻的應力和變形規律。研究成果可為大壩防滲墻的設計及加固提供參考。

2 數值模型

2.1 模型概述

本文研究的土石壩為典型堆石壩,壩頂全長2 045m,正常水位176m,壩頂高程180m。大壩重要性為I級。現場鉆孔資料顯示,大壩覆蓋層主要組成為第四系沖積物,下層為第三系粉砂巖組成。由于大壩級別高,工程量大,因此防滲問題尤為重要。防滲墻采用混凝土防滲墻。

根據大壩的實際情況,建立數值計算模型,模型總長1 600m。為了模擬防滲墻和巖土體的接觸,本文在兩者之間設置Goodman接觸單元。最終模型的網格總數為15 780個,節點單元為18 980個。模型方向為假定河水流向為X軸,與河水流向垂直為Y軸。數值模型中,網格劃分均采用四邊形單元。巖土體本構為摩爾-庫倫模型。模型典型斷面圖見圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

在本研究中,計算工況選取主要有3種:①完建工況,對應壩前水位176m,壩后水位0m;②蓄水工況,壩前水位176m,壩后水位120m;③地震工況,壩前水位176m,壩后水位120m。

2.2 數值計算模型參數

根據室內土工試驗并參考相關材料,匯總得到數值計算對應材料的物理力學參數,見表1。

表1 材料物理力學參數匯總

3 結果與分析

3.1 防滲墻變形規律

圖2為3種不同工況下防滲墻水平位移分布規律。結果表明,3種工況下,地震工況產生的水平位移最大;蓄水工況次之;完建工況最小。3種工況最大位移發生在深度為0m的位置。在深度為50m位置處,3種計算工況對應的水平位移基本相同,基本為0。表明深度越大,防滲墻對外作用的影響越小,穩定性也越好。其中,地震工況下最大水平位移14cm;蓄水工況下水平位移最大值為12.3cm;完建工況水平位移基本為0。此外,蓄水工況和地震工況下產生的最大水平位移明顯大于建成工況。

圖2 防滲墻位移變化規律

3.2 防滲墻應力分布規律

圖3為防滲墻水平應力隨著高度的變化趨勢。其中,拉應力為正,壓應力為負。結果表明,在3種工況的作用下,防滲墻上下游表面的水平應力分布規律基本相同,均表現出地震工況下水平應力最大;完建工況的水平應力最小;蓄水工況的水平應力介于地震工況和完建工況之間。其中,上表面水平應力在3種工況下對應的最大值分別為0.1、0.48和0.6MPa;下表面水平應力在3種工況下對應的最大值分別為0.05、0.2和0.3MPa,表明地震工況下防滲墻的穩定性最差。總體來看,不同計算工況下,防滲墻上表面的水平應力略大于下表面的水平應力。實際工程中,考慮地震作用時,防滲墻的設計及施工需加強。

圖3 防滲墻水平應力分布

圖4為防滲墻豎向應力隨著高度的變化趨勢。結果表明,在3種工況的作用下,防滲墻上下游表面的豎向應力分布規律基本相同,均表現出地震工況下豎向應力最大;完建工況的豎向應力最小;蓄水工況的豎向應力介于地震工況和完建工況之間。其中,上表面豎向應力在3種工況下對應的最大值分別為0.5、1.75和1.85MPa;下表面豎向應力在3種工況下對應的最大值分別為1.8、1.25和1.28MPa。總體來看,不同計算工況下,防滲墻下游側的豎向應力略大于上游側的豎向應力。

圖4 防滲墻豎向應力分布

綜合以上分析可知,在采用分層填筑荷載作用下,壩體對防滲墻的壓力是防滲墻產生變形的主要原因。實際工程中,為了減小壩體施工對防滲墻的影響,可考慮在大壩填筑至趾板位置,等壩體和沖擊層的沉降變形完成后,再施工防滲墻。

3.3 防滲墻內力變化規律

圖5為防滲墻在不同工況下的內力分布規律。結果表明,在不同的工況下,防滲墻均受到壓應力。在其他條件不變的情況下,蓄水工況下產生的內力最大;地震工況次之。對于防滲墻軸力而言,在建成工況、蓄水工況及地震工況下,軸力的最大值分別為430、720和600kN;在建成工況、蓄水工況及地震工況下,剪力的最大值分別為100、170和125kN;在建成工況、蓄水工況及地震工況下,彎矩的最大值分別為170、250和320kN·m。

圖5 防滲墻內力分布

此外,根據軸力分布來看,在完建工況下,防滲墻軸力的最大值位于墻身1/3處。而在其他兩種工況下,軸力的最大值位于防滲墻的中間位置。根據剪力分布來看,在完建工況下,防滲墻剪力的最大值發生在地震工況,而完建工況的剪力最小,且方向相反。當防滲墻在深度為25m位置處,剪力為0。根據防滲墻的彎矩分布情況來看,完建情況下防滲墻在5m位置處彎矩最大,且在下游面受拉應力。而蓄水工況和地震工況下,彎矩方向與完建工況相反。

4 結 論

本文采用數值模擬,對混凝土防滲墻在完建、蓄水和地震工況下的內力和變形規律進行了系統研究,結論如下:

1)地震工況產生的水平位移最大;蓄水工況次之;完建工況最小。其中,地震工況下最大水平位移14cm;蓄水工況下水平位移最大值12.3cm。

2)不同計算工況下,防滲墻上表面的水平應力略大于下表面的水平應力;防滲墻下游側的豎向應力略大于上游側的豎向應力。綜合來看,考慮地震作用時,防滲墻的設計及施工需加強。

3)在完建工況下,防滲墻軸力的最大值位于墻身1/3處。而在其他兩種工況下,軸力的最大值位于防滲墻的中間位置。總體來看,采用數值計算得到的防滲墻的內力和變形,可以用于墻體結構設計參考。