混凝土防滲墻內力及變形影響因素分析

邱曾浩

(中鐵水利水電規劃設計集團有限公司,南昌 330029)

1 概 述

水庫大壩的防滲問題關系著土石壩的安全運營。針對混凝土防滲墻的內力及變形影響因素,許多學者進行了相關研究。孫明權等[1]采用結構力學理論,系統研究了影響混凝土防滲墻內力及變形的因素。結果表明,墻端約束形式、基巖強度以及壩體材料都會對混凝土防滲墻墻體位移和應力產生影響,其中材料參數是影響防滲墻變形的主要原因。謝江松等[2]基于數值分析算法,系統研究了石壩防滲墻內力與變形特性。結果表明,在蓄水工況下,防滲墻上下游側水平應力均為壓應力,且隨著深度的增加而增加。此外,基于數值計算結果,可對防滲墻進行配筋驗算。周健等[3]基于Autobank數值計算軟件,系統研究了土石壩加固工程中的防滲墻應力變形。結果表明,滲流是導致混凝土防滲墻下部背水側產生拉應力的主要影響因子。任翔等[4]基于Biot固結理論,研究了土石壩超深混凝土防滲墻變形與受力機理。結果表明,庫水位波動對防滲墻的內力及變形影響較小。此外,非直線型大壩拐彎處的混凝土防滲墻,底部墻體應力會增大,實際工程中應進行加固。余翔等[5]基于三維數值有限元,研究了混凝土防滲墻變形與應力分布特性。結果表明,防滲墻岸坡附近的彎曲變形在滿蓄水位工況下最大,墻體下游側岸坡附近受到拉應力,且墻體下游側拉應力與下游墻面夾角為30°。

目前,在土石壩相關分析中,多數研究都是針對單一剛度的防滲墻進行的。因此,本文在前人研究的基礎上,建立數值計算模型,系統分析防滲墻變形影響因素。研究成果可為防滲墻的設計及其優化設計提供參考。

2 工程概況與數值模型

本文研究的土石壩壩高43m,頂寬4m。防滲墻采用封閉式防滲墻,覆蓋層厚度60m。鉆孔資料顯示,由上到下可分為4種不同土質,最底層為弱風化基巖層。最終建立的數值計算模型網格總數為3 201個,節點數為4 268個。大壩典型斷面見圖1。

為了研究防滲墻力學性能差異,根據壩體典型剖面,建立數值計算模型。其中,順河流方向設為X軸,高度方向為Z軸。防滲墻混凝土采用C20混凝土,混凝土彈性模量28GPa,基巖的彈性模量20GPa,泊松比均為0.21。覆蓋層以及灌漿區材料均采用Duncan-Chang本構模型,混凝土材料采用均值線彈性模型。此外,閘底板與覆蓋層增加Goodman接觸面單元,接觸面單元參數取值為K1=2 500,n=0.667,Rf=0.76,α=38°。其他材料的力學參數見表1。表1中,K為模量參數;n為無量綱指數;Rf為破壞比系數;m為體積模量指數。

圖1 大壩典型剖面圖

計算時,考慮防滲墻厚度為1m,分別選取空接頭和剛性結構兩種工況進行計算。

表1 材料物理力學參數匯總

3 結果與分析

3.1 結構型式對防滲墻內力及變形的影響

防滲墻不同厚度工況對防滲墻最大主應力及水平位移的影響見圖2。由圖2(a)可知,相同厚度防滲墻情況下,防滲墻的最大主應力隨著高程的增大而減小;相同工況下,防滲墻的最大主應力隨著厚度的減小而增大。當防滲墻厚度為0.6m時,對應的最大主應力位于墻底位置,最大值為59MPa;當防滲墻厚度為1.0m時,對應的最大主應力位于墻底位置,最大值為16MPa;當防滲墻厚度為1.4m時,對應的最大主應力位于墻底位置,最大值為40MPa。此外,防滲墻最大主應力在地層變化處發生突變,主要是由于材料變化導致產生的應力集中造成的。由圖2(b)可知,防滲墻的水平位移隨著高度的增大而增大,最大位移發生在墻頂位置處;防滲墻的水平位移隨著防滲墻厚度的減小而增大,防滲墻厚度對防滲墻的水平位移影響不顯著。總體來看,在其他條件不變的情況下,增大防滲墻厚度可顯著減小墻體的最大主應力,但不能明顯減小防滲墻的位移。

圖2 防滲墻厚度對主應力和位移的影響

防滲墻與壩體的接頭型式(硬接頭和空接頭)對墻體的最大主應力和水平位移的影響見圖3。由圖3(a)可知,對于剛性接頭和空接頭而言,隨著高程的增大,防滲墻最大主應力逐漸減小。在其他條件不變的情況下,剛性接頭的最大主應力要略大于空接頭。其主要原因是由于剛性結構是防滲墻和蓋板采用剛性連接,而空接頭是兩者之間留有足夠大的空間,導致頂部受到的約束較小,緩解了防滲墻的最大主應力。其中,剛性接頭最大主應力值為8 500MPa,而空接頭最大主應力值為8 400MPa。總體來看,兩種接頭形式對墻體的最大主應力影響不顯著。由圖3(b)可知,對于剛性接頭和空接頭而言,隨著高程的增大,防滲墻的水平位移增大。但在高程為1 860m時,位移出現了突變,可能是由于材料變化所引起的。總體來看,兩種接頭形式對墻體的最大位移影響不顯著,兩種接頭形式的最大位移為180mm。

圖3 結構類型對主應力和位移的影響

3.2 材料參數對防滲墻內力及變形的影響

混凝土彈性模量對防滲墻蓄水期最大主應力和水平位移的影響見圖4。由圖4(a)可知,其他條件不變的情況下,防滲墻最大主應力隨著混凝土彈性模量的增大而增大,相對于接頭形式對防滲墻最大主應力的影響,降低混凝土彈性模量能夠顯著減小防滲墻的最大主應力。當彈性模量為28GPa時,對應的最大主應力值為60MPa;當彈性模量為10GPa時,對應的最大主應力值為55MPa;當彈性模量為5GPa時,對應的最大主應力值為51MPa;當彈性模量為2GPa時,對應的最大主應力值為48MPa;當彈性模量為1GPa時,對應的最大主應力值為46MPa;當彈性模量為0.6GPa時,對應的最大主應力值為45MPa。顯然,隨著混凝土強度的減小,當彈性模量減小到一定程度時,對墻體的最大主應力的影響越來越小。由圖4(b)可知,防滲墻的最大水平位移在不同彈性模量下基本相同,表明混凝土彈性模量對墻體的位移影響不顯著。實際上,墻體的水平位移受覆蓋層物理性質影響最大。

圖4 混凝土彈模對防滲墻蓄水期最大主應力和水平位移的影響

為了研究不同覆蓋層與防滲墻接觸時對墻體的最大主應力和水平位移的影響,本文計算了4種不同工況:工況1為所有覆蓋層均為表1中的(1)類材料;工況2為所有覆蓋層均為表1中的(2)類材料;工況3為所有覆蓋層均為表1中的(3)類材料;工況4為所有覆蓋層均為表1中的(4)類材料。

覆蓋層屬性對防滲墻最大主應力的影響見圖5。由圖5可知,在覆蓋層強度從大到小依次為(4)至(1)情況下,防滲墻的最大主應力由大到小順序為(4)、(2)、(1)和(3)。其中,方案4工況下,對應的墻體最大主應力為30MPa;方案3工況下,對應的墻體最大主應力為55MPa;方案2工況下,對應的墻體最大主應力為35MPa;方案1工況下,對應的墻體最大主應力為45MPa。表明覆蓋層材料越好,對防滲墻變形約束作用越強,防滲墻穩定性越高。

4 結 論

本文采用數值模擬,研究了混凝土防滲墻內力及變形影響因素,系統分析了接頭型式及材料參數對防滲墻內力及變形的影響。結論如下:

1)防滲墻的最大主應力隨著高程的增大而減小;防滲墻的水平位移隨著防滲墻厚度的減小而增大。總體來看,在其他條件不變的情況下,增大防滲墻厚度可顯著減小墻體的最大主應力,但不能明顯地減小防滲墻的位移。

2)對于剛性接頭和空接頭而言,隨著高程的增大,防滲墻最大主應力逐漸減小。在其他條件不變的情況下,剛性接頭的最大主應力要略大于空接頭。此外,兩種接頭形式對墻體的最大位移影響不顯著,兩種接頭形式的最大位移為180mm。

3)防滲墻最大主應力隨著混凝土彈性模量的增大而增大,而防滲墻的最大水平位移在不同彈性模量下基本相同,表明混凝土彈性模量對墻體的位移影響不顯著。此外,覆蓋層材料越好,對防滲墻變形約束作用越強,防滲墻穩定性越高。