彈性模量參數變化下土石壩混凝土防滲墻應力變形特性研究

引用格式：范文戰，朱少坤，陳博.彈性模量參數變化下土石壩混凝土防滲墻應力變形特性研究[J].水利水電快報，2025，46（5）：74

關鍵詞：混凝土防滲墻；應力變形；彈性模量；數值模擬

中圖法分類號：TV543 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki. slsdkb.2025.05.012

文章編號：1006-0081（2025）05-0074-05

0 引言

混凝土防滲墻結構的應力變形是大項整體滲流穩定的關鍵因素[1]。針對混凝土防滲墻應力變形，諸多學者進行了相關研究。孫明權等2利用結構力學原理，探究了混凝土防滲墻應力變形影響因素，得出材料參數是影響防滲墻結構應力變形的重要因素。周清勇等[3]研究了防滲墻施工缺陷對土石壩滲流和穩定的影響，得出不同施工缺陷對大壩防滲墻滲流和穩定的影響程度，為后續防滲墻施工提供指導。李少明4利用數值模擬方法，研究了防滲墻質量缺陷位置對大壩滲流的影響，得出防滲墻缺陷會對大壩各個部位的滲透坡降產生影響。黃寧等[5對土石壩防滲墻頂部的土體剪切帶進行了研究，解決了剛性結構頂部土體剪切變形的模擬計算問題，并將該方法應用于溝埋式涵洞頂部土壓力計算。

鑒于實際工程受復雜地質條件變化和墻體施工工藝影響，現場檢測得到的防滲墻墻體彈性模量變化范圍較大，其墻體的實際彈性模量可能超出或小于設計標準值，對工程安全帶來一定隱患，本文以黔江某副壩混凝土防滲墻石渣壩為例，研究了混凝土防滲墻材料變形模量對防滲墻應力變形的影響。

1 工程概況

黔江某副壩工程的大壩為混凝土防滲墻石渣壩，壩軸長 1239m ，最大壩高 30m ，壩頂寬度 8m ，上游壩坡1：3.0，下游壩坡1：2.5，混凝土防滲墻墻厚 0.6m 深入基巖 2m ，設計彈性模量范圍 600～800MPa 。黔江副壩在施工過程中，受基礎地形地質條件變化的影響，檢測的部分塑性混凝土防滲墻的實際彈性模量為503～1465MPa ，變化范圍較大，且超出初始設計彈性模量，材料不均勻性可能不利于防滲墻與壩體協同變形，影響防滲效果。

2 數值模擬

2.1 方案設計

混凝土材料被廣泛應用于土石壩防滲墻結構中[6-8]，與周邊土體相比較，墻體材料彈性模量相對較大，但通常控制在 2 000MPa 以下[9]。部分墻體超出或小于設計值，墻體材料的不均性可能不利于壩體的變形協調。為分析混凝土彈性模量變化對墻體應力變形的影響規律，采用三維有限元法對混凝土材料進行敏感性分析，參考類似相關研究[\"]，此次共設計6個混凝土方案，見表1。

2.2 計算模型與參數

模擬壩體最大壩高 30m ，壩寬 8m ，底部寬度173m ，上游壩坡為1：3.0，下游壩坡為1：2.5，防滲墻墻厚 0.6m ，深入基巖深度 2m 。根據地勘鉆孔顯示，壩體基礎從上往下依次為砂卵石層、砂礫石層和弱風化基巖層。典型分析斷面見圖1。假定各個層次巖土體為均質、各向同性，各地層和地表為水平狀態，此次分析壩體壩基采用鄧肯-張E-B模型，防滲墻采用線彈性模型，利用有限元分析軟件，按照土石壩實際尺寸建立三維實體單元模型，壩軸方向取 20m ，壩基取15m ，各部件單元采用C3D8R，模型單元總數為35204個，節點總數為39914個。彈性模量和泊松比參數按照方案設計值進行，其他材料參數見表2。

2.3 計算工況

計算主要考慮土石壩完建期和正常運行期2個工況，分析計算土石壩防滲墻結構在不同設計方案的內力，并得出相關規律。

3計算結果

3.1混凝土彈模對防滲墻應力的影響

完建工況計算結果表明，各設計方案下，大項混凝土防滲墻除頂部出現局部受拉外，整體結構呈現出受壓狀態，結構最大主壓應力隨防滲墻高程的降低而逐漸增大，并在防滲墻結構底部達到最大值；隨大壩防滲墻結構彈模的增加，防滲墻頂部最大主拉/壓應力也隨著增大，但增幅較小。大壩運行期，防滲墻彈模增加對墻體應力影響的分布規律與完建期一致，混凝土彈模對墻體應力的影響見圖2～3。

3.1.1混凝土彈模對防滲墻最大主拉應力的影響

各工況下大壩防滲墻頂部出現局部受拉，各方案的防滲墻最大主拉應力數值見表3。大壩運行期，方案6的防滲墻墻頂最大主拉應力值達到最大，為34.04kPa ，遠小于C25混凝土容許抗拉強度（1.78MPa_，^. ，不會對防滲墻結構造成拉伸破壞，且隨著防滲墻彈性模量的增大而增加，但增幅較小。完建工況下方案2較方案1增加 1.72% ，方案3較方案1增加3.77% ，方案4較方案1增加 4.40% ，方案5較方案1增加 4.71% ，方案6較方案1增加 4.93% ，當彈性模量增大到方案4時 （5000MPa ），防滲墻結構的最大主拉應力增幅幅度變緩。

3.1.2混凝土彈模對防滲墻最大主壓應力的影響

各計算工況下，防滲墻除頂部出現局部受拉外，結構整體呈現出受壓狀態，結構最大主壓應力隨防滲墻高程的降低而逐漸增大，并在防滲墻結構底部達到最大值，各方案的防滲墻最大主壓應力數值見表4。大壩運行期，方案6的防滲墻墻底最大主壓應力達到最大值，為 5.16MPa ，遠小于C25混凝土容許抗壓強度16.7MPa ，不會對防滲墻結構造成破壞，且隨著防滲墻彈性模量的增大而增加。完建工況下，方案2較方案1增加 7.55% ，方案3較方案1增加 11.77% ，方案4較方案1增加 13. 11% ，方案5較方案1增加13.77% ，方案6較方案1增加 14.00% ，當彈性模量增大到方案4時 ），防滲墻結構的最大主壓應力增幅幅度變緩。

上述結構設計彈模為 600～800MPa ，而實際檢測彈模為 503～1465MPa ，部分小于或超出設計值，防滲墻結構彈性模量的增加，會引起該結構最大主拉/壓應力的增大。完建工況下，防滲墻除頂部局部受拉外，整體呈受壓狀態，方案2設計彈模為 1500MPa ，較方案1的 500MPa ，拉應力增幅僅為 1.72% ，壓應力增幅為7.55% ，且遠小于混凝土的容許抗拉/壓強度，運行期也呈現出此規律。對于混凝土結構而言，其自身可以承受較大的壓應力，小幅度應力增幅對該結構自身的穩定影響較小。因此對于此次研究對象的應力角度而言，實際彈模的增大會使其應力狀態改變，但對于土石壩混凝土防滲墻結構而言，影響較小，不影響該工程的安全狀態。

表4大壩防滲墻最大主壓應力 Tab.4Maximum principal compressive stress of dam cut-off wall

3.2混凝土彈模對防滲墻位移的影響

對完建工況下，不同設計方案的土石壩混凝土防滲墻結構進行位移分析。計算結果表明：各設計方案下大壩防滲墻結構主要受豎向位移影響，水平位移影響相對較小，并隨著防滲墻高度的增加，墻體位移逐漸增大，在防滲墻頂部位移達到最大值；隨土石壩防滲墻結構彈性模量的增加，結構位移隨之減小，當結構彈性模量增加到方案4時 （5000MPa） ），防滲墻結構位移的減幅明顯降低。完建工況下，結構彈模變化對位移的影響如圖4所示，從圖中可以看出，不同設計方案下墻頂水平位移影響較小，6個方案的水平向相對豎直向的位移占比僅為 5.06% ，6.08% ， 6.48% ， 6.68% ， 6.73% ， 6.72% ，大壩防滲墻結構位移以豎向位移的影響為主，水平位移對防滲墻結構的影響較小。運行期結構位移也呈現出此變化規律，見圖5。

由前文計算可知，各工況下防滲墻結構最大位移位于墻頂，為深入研究墻體彈模對結構位移的影響，分別統計了大壩墻頂最大位移。結果表明：隨著防滲墻彈性模量的增加，墻頂位移也隨之減小且減幅較明顯，完建工況下方案2較方案1減小 15.71% ，方案3較方案1減小 31.10% ，方案4較方案1減小 40.55% ，方案5較方案1減小45. 48% ，方案6較方案1減小48.26% 。運行期也呈現此規律，見表5。

上述結構設計彈模為 600～800MPa ，而實際檢測彈模為 ，部分小于或超出設計值，防滲墻結構彈性模量的增加，會引起該結構豎向水平位移的減小，但是減小幅度有限，當結構彈性模量增加到方案2的 1500MPa 時，較方案1的 ，大壩完建期墻頂最大位移減幅為15.71% ，運行期大壩墻頂位移減幅為 14.47% ，且對于大壩防滲墻結構而言，位移的減小有利于大壩的整體穩定，不會對大壩造成不利影響。因此，對于此次研究對象的位移角度而言，防滲墻結構彈性模量的增加會改變其結構的位移狀態，但對于土石壩的整體穩定而言，不會造成防滲墻和土石壩整體的破壞。

4結論

（1）隨著防滲墻彈性模量的增大，結構最大主拉/應力隨之增大，但增幅較小，除墻頂局部受拉外整體以受壓為主，最大主拉/壓應力遠小于混凝土容許值，防滲墻彈性模量增大引起的主拉/壓應力變化對結構影響較小。

（2）防滲墻結構位移以豎向位移為主，墻頂處位移達到最大，隨著防滲墻彈性模量的增大，結構位移隨之減小，且減幅較大，該工程混凝土彈性模量的增大不會對防滲墻結構造成不利影響。

（3）對于此次研究的土石壩防滲墻工程而言，結構最大主拉/壓應力雖都有一定增幅，但結構最大主拉/壓應力值均遠小于混凝土容許值，且隨著彈性模量的增加，墻體結構的位移逐漸較小，墻體材料彈模的幅度增加對結構不利影響相對較小，土石壩工程處于安全狀態。

參考文獻：

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（編輯：張爽）

Study on stress deformation characteristics of cutoff wall of earth -rock dam under varying elastic modulus parameters

FAN Wenzhan，ZHU Shaokun，CHEN Bo （Guangzhou Pearl Science Institute Engineering Survey and Design Co.，Ltd.，Guangzhou 51o611，China）

Abstract：To explore thesafetyof the earth-rock dam'santi-seepagewallunderthe variation of elastic modulus parameters，in viewof the factthatthe measured elastic modulus value of the concrete anti-seepage wallon site does not match the design parameters，taking the actual project of acertain secondary dam in Qianjiang as an example，basedon thethree-dimensionalfiniteelementnumerical simulationanalysis method，theinfluenceof thevariationof material elastic modulus parameters on the stressand deformation of the anti -seepage wall under different working conditions was studied.The resultsshowed that the concreteanti-seepage wallwas inacompressivestate except forthe topofthe wall. The maximum tensile stressand maximum displacement were located at the topof theanti-seepage wall，and the maximum compressive stress was located at the bottom of the anti -seepage wall. With the increase of the elastic modulus of concrete，the maximum principaltensile/compressive stress of theanti-seepage wall increased，and the wall displacementgraduallydecreased.The increaseintheelasticmodulusof thewallmaterialhasarelativelysmalladverseefcton the structure，and the earth -rock dam project is in a safety state.

Key words： concrete cutoff wall； stress deformation; modulus of elasticity； numerical simulation