防滲墻彈性模量及壩高對墻體力學特征影響分析

陳 淼

(濟南市水利工程服務中心,濟南 250103)

1 概 述

水利水電工程中,根據彈性模量的差異,防滲墻可分為剛性防滲墻和塑性防滲墻兩種。其中,剛性防滲墻具有剛度大、抗變形能力強的優點,但對于與壩體的協同變形方面較差。而塑性防滲墻剛度較小,但可以與大壩協調變形,從而避免較大的應力集中。

針對不同剛度的混凝土防滲墻,許多學者開展了相關研究。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、基巖強度及壩體材料均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。蔣凱樂等[2]基于原位試驗及數值模擬,系統研究了塑性混凝土防滲墻土反力系數的計算方法。結果表明,提出的計算方法可以準確反演塑性混凝土防滲墻土壓力系數,并在實際工程中得到驗證。高江林[3]綜合采用模型試驗和數值模擬,分析了防滲墻與壩體相互作用。結果表明,剛性混凝土墻主要承受拉應力,而塑性混凝土防滲墻主要承受壓應力;壩體的填筑材料、壩基透水性能及基巖強度等因素對剛性混凝土墻的應力影響明顯,相較于塑性混凝土防滲墻影響更為顯著。馬曉華等[4]基于Adina中多孔介質材料模型,系統研究了壩體土體和防滲墻模量變化對防滲墻應力變形的影響。結果表明,當防滲墻的彈模小于5GPa時,墻體應力隨防滲墻彈性模量的變化不敏感;反之,墻體的應力分布較敏感。吳為健等[5]基于室內試驗,研究了影響塑性混凝土防滲墻滲透系數的因素。結果表明,隨著水膠比的增大,塑性混凝土的滲透系數逐漸增大,而隨著膨潤土摻量的增大而減小。當砂率由70%增大至90%時,塑性混凝土的滲透系數會有一定程度的增大。

本文建立數值計算模型,系統研究塑性混凝土防滲墻在不同蓄水工況下的內力和變形規律。研究結果可為大壩防滲墻的設計及加固提供參考。

2 工程概況與數值模型

2.1 工程概況

本文研究的壩體為典型的黏土心墻砂殼壩,最大壩高35m,壩寬10m,大壩底部寬度120m。根據鉆孔資料揭示,巖土體由上至下分別為卵石層、礫石土層和弱風化粉砂巖基巖層。根據現場調查表明,由于大壩運營時間較長,現場存在不少安全隱患,如大壩局部有明顯開裂。為了保證水庫大壩的安全運營,擬采用塑性混凝土防滲墻進行加固處理。其中,防滲墻厚度0.8m。大壩典型斷面見圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

2.2 數值模型與計算參數

本文采用數值計算軟件,并選取典型斷面進行建模分析。考慮結構力學特征,采用平面應變進行計算。網格采用4節點等參單元,整個模型的網格總數32 230,節點個數42 610。計算中,首先進行地應力平衡,然后施加施工水位下的荷載作為初始應力場。模型四周約束水平方向的位移,底部約束3個方向的位移。加載前,采用地應力平衡進行處理。模型網格采用8節點6單元網格。

為了模擬防滲墻和巖土體的相互接觸作用,在兩者交界面位置增加Goodman接觸單元。模型方向為:假定河水流向為X軸,與河水流向垂直的為Y軸。數值模型計算中,巖土體材料均采用鄧肯-張模型,防滲墻和基巖層由于變形較小,因此采用線彈性本構模型。材料物理力學參數見表1。

表1 材料物理力學參數匯總

3 結果與分析

3.1 正常水位下防滲墻的內力及變形

正常蓄水位下防滲墻內力及變形分布規律見圖2。由圖2(a)可知,墻體的水平位移隨著高程的增大而先增大后減小。受水壓力及墻厚支撐條件的限制,防滲墻在高程15m位置處的水平位移達到最大,最大值為5.7mm。總體來看,墻體變形較小,穩定性較高。由圖2(b)可知,墻體的水平位移受混凝土彈性模量的影響非常小。不同彈性模量下墻體的變形基本相同,最大變形處為15m位置,最大值為5.7mm。

圖2 正常蓄水位下防滲墻內力及變形

3.2 不同彈模下防滲墻的應力和變形

正常蓄水位工況下,混凝土彈性模量對防滲墻上下游主應力影響規律見圖3。由圖3(a)可知,在正常蓄水位工況下,上游面最大主應力隨著高程的增大而先增大后減小;在相同高程下,混凝土彈性模量越大,最大主應力越大。當混凝土彈性模量小于5GPa時,最大主應力增長速率明顯小于混凝土彈性模量大于5GPa時的增長速率,且出現較明顯的拉應力。但總體來講,最大拉應力小于混凝土極限抗拉強度。由圖3(b)可知,在正常蓄水位工況下,下游面最小主應力隨著高程的增大而先增大后減小;在相同高程下,混凝土彈性模量越大,最小主應力越大。當混凝土彈性模量小于5GPa時,最小主應力增長速率明顯小于混凝土彈性模量大于5GPa時的增長速。

圖3 正常蓄水位下混凝土彈性模量對防滲墻上下游主應力影響規律

校核水位工況下,混凝土彈性模量對防滲墻上下游主應力影響規律見圖4。由圖4(a)可知,在校核水位工況下,上游面最大主應力隨著高程的增大而先增大后減小;在相同高程下,混凝土彈性模量越大,最大主應力越大。當混凝土彈性模量小于5GPa時,最大主應力增長速率明顯小于混凝土彈性模量大于5GPa時的增長速率。由圖4(b)可知,在校核水位工況下,下游面最小主應力隨著高程的增大而先增大后減小;在相同高程下,混凝土彈性模量越大,最小主應力越大。當混凝土彈性模量小于5GPa時,最小主應力增長速率明顯小于混凝土彈性模量大于5GPa時的增長速。總體來說,混凝土彈性模量5GPa時,屬于臨界值。當小于該值時,防滲墻的應力狀態變化不顯著;當大于該臨界值時,防滲墻的應力狀態顯著發生改變。

圖4 校核水位下混凝土彈性模量對防滲墻上下游主應力影響規律

根據圖3、圖4的結果分析可知,混凝土彈性模量5GPa時,屬于臨界值。當小于該臨界值時,防滲墻的應力狀態變化不顯著;當大于該臨界值時,防滲墻的應力狀態顯著發生改變。混凝土剛度過大,一方面可以提高防滲墻墻體強度,但也會導致局部出現受拉區。實際工程中,應根據工程地質條件及壩型等,綜合選用防滲墻的彈性模量。

3.3 壩高與彈性模量對防滲墻內力及變形的影響

混凝土彈性模量分別為1、2、5和10GPa以及大壩高度為20和50m工況下,防滲墻上下游的內力與變形特征見表2。由表2可知,不同壩高對應的不同強度混凝土,均可以滿足規范規定的安全性要求。根據分析可知,壩體越高,可盡量選擇彈性模量越小的混凝土;壩體越低,可選擇彈性模量較大的混凝土。根據工程經驗,當大壩高度小于20m時,混凝土彈性模量可選用小于6GPa;當大壩高度大于50m時,混凝土彈性模量應盡量小于5GPa。

表2 彈性模量和壩高對防滲墻內力及變形影響

4 結 論

本文采用數值模擬,系統研究了混凝土防滲墻在不同蓄水工況下,混凝土彈性模量對防滲墻的內力和變形影響規律。結論如下:

1)墻體的水平位移隨著高程的增大而先增大后減小;墻體的水平位移受混凝土彈性模量的影響非常小。不同彈性模量下墻體的變形基本相同,最大變形處為15m位置,最大值為5.7mm。

2)混凝土彈性模量5GPa時,屬于臨界值。當小于該臨界值時,防滲墻的應力狀態變化不顯著;當大于該臨界值時,防滲墻的應力狀態顯著發生改變。混凝土剛度過大,一方面可以提高防滲墻墻體強度,但也會導致局部出現受拉區。實際工程中,應根據工程地質條件及壩型等,綜合選用防滲墻的彈性模量。

3)壩體越高,應選擇彈性模量較小的混凝土;壩體越低,可選擇彈性模量較大的混凝土。根據工程經驗,當大壩高度小于20m時,混凝土彈性模量可選用小于6GPa;當大壩高度大于50m時,混凝土彈性模量應盡量小于5GPa。