李佳聰

(大連市水利建筑設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式。針對(duì)混凝土防滲墻的內(nèi)力及變形規(guī)律,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。包騰飛等[1]基于非線性有限元,系統(tǒng)研究了深厚覆蓋層上面板堆石壩的防滲布置最優(yōu)方式。結(jié)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低的防滲布置方案。溫立峰等[2]基于數(shù)值分析,研究了深覆蓋層上面板堆石壩的防滲墻應(yīng)力變形規(guī)律。結(jié)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(nèi)增設(shè)加固防滲墻的結(jié)構(gòu)特性。結(jié)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理增強(qiáng)。吳夢(mèng)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(jié)果表明,實(shí)際工程中采用高塑性黏土僅設(shè)置于混凝土結(jié)構(gòu)頂部,有利于心墻變形和施工進(jìn)度。劉奉銀等[5]基于數(shù)值計(jì)算,分析了防滲墻深度對(duì)大壩滲流穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,閉式防滲墻可以有效控制滲流場(chǎng),并對(duì)邊坡穩(wěn)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(jì)算方法。結(jié)果表明,實(shí)際工程中防滲墻深度與覆蓋層深度之比為0.7,屬于最優(yōu)深度。沈洪俊等[7]基于滲流理論和復(fù)變函數(shù)模型,系統(tǒng)研究了堆石壩心墻與防滲墻不同聯(lián)結(jié)方式抗?jié)B性能。結(jié)果表明,硬軟兩種接頭方案均滿足抗?jié)B性能要求。相對(duì)軟接頭而言,硬結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單,有效抗?jié)B長(zhǎng)度較大,而軟結(jié)構(gòu)可以更好適應(yīng)地基不均勻沉降,大大降低心墻和防滲墻的應(yīng)力集中,實(shí)際工程中應(yīng)針對(duì)不同的條件選取。

本文建立數(shù)值計(jì)算模型,系統(tǒng)研究防滲墻的應(yīng)力和變形規(guī)律。研究成果可為大壩防滲墻的設(shè)計(jì)及加固提供參考。

2 數(shù)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(zhǎng)2 045m,正常水位176m,壩頂高程180m。大壩重要性為I級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)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(jí)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(jù)大壩的實(shí)際情況,建立數(shù)值計(jì)算模型,模型總長(zhǎng)1 600m。為了模擬防滲墻和巖土體的接觸,本文在兩者之間設(shè)置Goodman接觸單元。最終模型的網(wǎng)格總數(shù)為15 780個(gè),節(jié)點(diǎn)單元為18 980個(gè)。模型方向?yàn)榧俣ê铀飨驗(yàn)閄軸,與河水流向垂直為Y軸。數(shù)值模型中,網(wǎng)格劃分均采用四邊形單元。巖土體本構(gòu)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(jì)算工況選取主要有3種:①完建工況,對(duì)應(yīng)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(shù)值計(jì)算模型參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)并參考相關(guān)材料,匯總得到數(shù)值計(jì)算對(duì)應(yīng)材料的物理力學(xué)參數(shù),見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)匯總

3 結(jié)果與分析

3.1 防滲墻變形規(guī)律

圖2為3種不同工況下防滲墻水平位移分布規(guī)律。結(jié)果表明,3種工況下,地震工況產(chǎn)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(fā)生在深度為0m的位置。在深度為50m位置處,3種計(jì)算工況對(duì)應(yīng)的水平位移基本相同,基本為0。表明深度越大,防滲墻對(duì)外作用的影響越小,穩(wěn)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(chǎn)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(guī)律

3.2 防滲墻應(yīng)力分布規(guī)律

圖3為防滲墻水平應(yīng)力隨著高度的變化趨勢(shì)。其中,拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。結(jié)果表明,在3種工況的作用下,防滲墻上下游表面的水平應(yīng)力分布規(guī)律基本相同,均表現(xiàn)出地震工況下水平應(yīng)力最大;完建工況的水平應(yīng)力最小;蓄水工況的水平應(yīng)力介于地震工況和完建工況之間。其中,上表面水平應(yīng)力在3種工況下對(duì)應(yīng)的最大值分別為0.1、0.48和0.6MPa;下表面水平應(yīng)力在3種工況下對(duì)應(yīng)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(wěn)定性最差?？傮w來看,不同計(jì)算工況下,防滲墻上表面的水平應(yīng)力略大于下表面的水平應(yīng)力。實(shí)際工程中,考慮地震作用時(shí),防滲墻的設(shè)計(jì)及施工需加強(qiáng)。

圖3 防滲墻水平應(yīng)力分布

圖4為防滲墻豎向應(yīng)力隨著高度的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明,在3種工況的作用下,防滲墻上下游表面的豎向應(yīng)力分布規(guī)律基本相同,均表現(xiàn)出地震工況下豎向應(yīng)力最大;完建工況的豎向應(yīng)力最小;蓄水工況的豎向應(yīng)力介于地震工況和完建工況之間。其中,上表面豎向應(yīng)力在3種工況下對(duì)應(yīng)的最大值分別為0.5、1.75和1.85MPa;下表面豎向應(yīng)力在3種工況下對(duì)應(yīng)的最大值分別為1.8、1.25和1.28MPa?？傮w來看,不同計(jì)算工況下,防滲墻下游側(cè)的豎向應(yīng)力略大于上游側(cè)的豎向應(yīng)力。

圖4 防滲墻豎向應(yīng)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(duì)防滲墻的壓力是防滲墻產(chǎn)生變形的主要原因。實(shí)際工程中,為了減小壩體施工對(duì)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(nèi)力變化規(guī)律

圖5為防滲墻在不同工況下的內(nèi)力分布規(guī)律。結(jié)果表明,在不同的工況下,防滲墻均受到壓應(yīng)力。在其他條件不變的情況下,蓄水工況下產(chǎn)生的內(nèi)力最大;地震工況次之。對(duì)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(nèi)力分布

此外,根據(jù)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(jù)剪力分布來看,在完建工況下,防滲墻剪力的最大值發(fā)生在地震工況,而完建工況的剪力最小,且方向相反。當(dāng)防滲墻在深度為25m位置處,剪力為0。根據(jù)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(yīng)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(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬,對(duì)混凝土防滲墻在完建、蓄水和地震工況下的內(nèi)力和變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究,結(jié)論如下:

1)地震工況產(chǎn)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(jì)算工況下,防滲墻上表面的水平應(yīng)力略大于下表面的水平應(yīng)力;防滲墻下游側(cè)的豎向應(yīng)力略大于上游側(cè)的豎向應(yīng)力。綜合來看,考慮地震作用時(shí),防滲墻的設(shè)計(jì)及施工需加強(qiáng)。

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?？傮w來看,采用數(shù)值計(jì)算得到的防滲墻的內(nèi)力和變形,可以用于墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。