程素珍 杜 濱 劉莉莉

(山東省水利科學研究院,山東濟南 250013)

土壩混凝土防滲墻側壁負摩阻力分析

程素珍 杜 濱 劉莉莉

(山東省水利科學研究院,山東濟南 250013)

混凝土防滲墻是土壩防滲加固比較常用的方法，但由于墻體和兩側壩體的彈性模量、強度差異較大，在上覆荷載作用下墻體與土體之間產生不均勻沉降，使防滲墻側壁出現(xiàn)負摩阻力，其應力甚至達到材料的極限抗拉強度，造成墻體出現(xiàn)裂縫，防滲效果降低。本文以崮山水庫為例，采用有限元法分析防滲墻的受力狀態(tài)，探討了模量比值k的變化對墻體負摩阻力的影響、相對沉降與負摩阻力的關系、中性點的位置等，為防滲墻的運行管理提供理論支持。

防滲墻；負摩阻力；分析

防滲墻是修筑在土石壩和松散覆蓋層中起防滲作用的地下連續(xù)墻，因其防滲效果好、施工速度快、結構可靠等優(yōu)點[1-2]，成為山東省土石壩防滲處理的首選工程措施。但是防滲墻主要是以水泥為膠凝材料的混凝土構筑物，即使采用黏土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的塑性混凝土澆筑防滲墻，其變形模量與壩體土也差異較大，壩體在自身沉降過程中，墻體變形小，壩體變形大，當壩體土相對墻體產生向下的位移時，土體就會對墻體產生向下的摩阻力即負摩阻力[3]，當負摩阻力大于墻體材料的抗拉強度時，防滲墻就會出現(xiàn)開裂，裂縫的出現(xiàn)會嚴重降低墻體的防滲性能，甚至產生流土、管涌等水力破壞現(xiàn)象[4-5]。隨墻體深度的增加，相對沉降會逐漸減小，負摩阻力逐漸消失，在墻體和其兩側的土體沉降相等處，摩阻力為零，該點即為中性點，中性點以上墻體受負摩阻力，以下受正摩阻力。因此，分析防滲墻中性點的位置、負摩阻力的大小、墻體材料的變形模量對墻體受力狀態(tài)的影響等對評價防滲墻的安全狀態(tài)至關重要。本文結合崮山水庫大壩安全鑒定，分析了防滲墻側壁摩阻力的變化，評價了墻體的工作狀態(tài)。

1 工程概況

崮山水庫位于威海市環(huán)翠區(qū)，樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞、電站等組成，工程規(guī)模為Ⅲ等，主要建筑物為3級。大壩系壤土心墻砂殼壩，壩頂長385m，壩頂高程28.8m，最大壩高20.3m。是一座集防洪、供水、養(yǎng)殖、發(fā)電等綜合效益于一體的中型水庫。

壩體內采用黏土心墻防滲，心墻頂高程28.10m，頂寬2m，上下游坡比為1∶0.4。心墻和壩基砂內構筑混凝土防滲墻，墻體位于壩軸線，墻長150m，厚度0.6m，上部埋入黏土心墻內, 頂高程25.00m，壩基砂內平均深度12.71m,底部嵌入基巖1.20m,墻體材料為C10素混凝土，設計軸心抗拉強度650kPa，設計軸心抗壓強度5MPa,彈性模量E28=400～1000MPa；滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s。

水庫建成后不久，壩體出現(xiàn)了較大沉降,最大沉降量達84.5cm，且壩頂出現(xiàn)裂縫。水庫經多年運行后，現(xiàn)狀沉降基本穩(wěn)定，但是防滲墻與墻兩側土體彈性模量差異較大，由于沉降差異，墻體側壁易出現(xiàn)負摩阻力，當負摩阻力大于墻體抗拉強度時，可引起墻體裂縫。因此，采用有限單元法對防滲墻側壁負摩阻力進行模擬計算，評價墻體的應力狀態(tài)。

2 防滲墻應力分析

防滲墻應力計算采用DuncanEt-μt模型，它是一種非線性應力應變關系模型[6]，兩個基本變量為切線楊氏模量Et和切線體積變形模量Bt,Et、Bt表達式分別為:

式中K——模量參數(shù)；

n——無因次指數(shù)；

Pa——大氣壓力；

Rf——破壞比；

Kb——待定試驗常數(shù)；

Bt——體積模量系數(shù)；

m——體積模量指數(shù)；

S——應力水平。

由Et、Bt作為參數(shù)進而求得土的泊松比μt為：

計算中限制Bt值在(1/3～17)Et的范圍內，相當于μt在0～0.49的范圍內。

壩體主要由黏土心墻、壤土壩殼、砂殼、堆石壓重體和壩基砂組成，壩基基巖為片麻花崗巖，作為剛性材料考慮。壩體土計算參數(shù)均可采用常規(guī)三軸剪切試驗測定[6]，室內試驗成果建議值見表1。防滲墻的密度、彈性模量和泊松比分別為ρd=2.4g/cm3,E=600MPa,μ=0.17。

埋于壩體和壩基中的防滲墻受力情況比較復雜，不僅受到水壓力、土壓力、壩體自重的影響，還由于防滲墻及其兩側的彈性模量差異較大，沉降差異引起的不均一變形產生側壁正、負摩阻力，防滲墻底部支撐條件也是影響墻體受力的主要因素。對于已運行多年的水庫，壩體變形主要是豎向變形，墻體與兩側壩體沉降差異產生的摩阻力引起的墻體豎向應力為主要內力，也是產生墻體裂縫的主要因素。

采用GEO-SIGMA/W程序進行有限元分析，計算模型、材料分布及網(wǎng)格劃分情況見圖1。防滲墻側壁摩阻力分布見圖2。

由圖2可知，在心墻內部及壩基中上部的防滲墻內豎向主應力都為負值；隨著深度的增加防滲墻負摩阻力逐漸減小，在深度24m處摩阻力為零，墻體和兩側土體沉降相等，定義該點為中性點，中性點向下逐漸產生了正的摩阻力。經計算墻體最大負摩阻力為1250kPa，接近墻體的極限抗拉強度值，因此，墻體內存在產生裂縫的可能。

經分析，防滲墻出現(xiàn)負摩阻力原因是：壩體和防滲墻的彈性模量差異較大，且墻體底部支撐條件較好，在外力作用下，墻體變形較小，而壩體材料為松散層，在自重下產生的固結沉降明顯，最大沉降量達84.5cm，使防滲墻兩側的壩體沉降大于防滲墻的沉降，從而引起對墻體側面的向下摩阻力，隨著深度的增加，壩體沉降量逐漸變小，而墻體在上覆壓力和負摩阻力的作用下沉降量逐漸增加，二者的相對沉降量逐漸減小，側壁負摩阻力也逐漸減小，當相對沉降減小為零，即達到了中性點，側壁摩阻力為零；過中性點后，上部產生的負摩阻力使防滲墻的壓縮量繼續(xù)增加，當大于兩側土層的變形量時，防滲墻的側壁會出現(xiàn)正的摩阻力，且隨著深度的增加正摩阻力在不斷加大，直到防滲墻底部，其正摩阻力達到了最大值。

由于墻體底部是入巖的封閉式防滲墻，墻基堅硬，防滲墻沉降較小，而相對位移會維持較長時間,負摩阻力會長期作用于中性點以上墻體兩側。由于墻體是擋水構筑物，上下游長期存在水頭差，墻體在水溶蝕等外部因素作用下，強度會逐漸降低，當負摩阻力大于材料拉應力時，會造成墻體開裂，因此，應加強墻體的長期觀測。

3 不同k值下的負摩阻力計算

防滲墻側壁產生負摩阻力的原因是墻體與兩側土體的剛度不同，在外力作用下壩體產生了相對墻體的沉降。為研究兩者的剛度差異對負摩阻力的影響，選取兩種材料的不同模量比值k進行計算分析，k值見表2，不同k值下的墻側壁最大負摩阻力變化和中心點位置見圖3。

表2 計算方案

注E1為防滲墻的彈性模量，E2為壩基覆蓋層的模量，取E2=22kPa。

圖3 k值與負摩阻力和中性點關系曲線

從圖3可知，防滲墻—土體相對剛度大小對防滲墻最大側壁摩阻力有明顯的影響。隨著k增大，其側壁負摩阻力也不斷加大。側壁負摩阻力在k值較小時增長較快，但隨著k值的繼續(xù)增加，其最大負摩阻力的增量逐漸減小。原因是隨著k值的加大，墻體的模量不斷增加，在外力不變的情況下自身沉降量減小，墻體與兩側松散層的相對沉降增大，當相對位移增加到一定程度時，兩側土體產生屈服破壞，側壁摩阻力達到峰值，此后即使再加大k值，其負摩阻力也基本保持不變。因此，為降低側壁負摩阻力，在滿足墻體抗壓強度的情況下，盡量采用低彈模的塑性防滲墻。

4 k值對中性點的影響

防滲墻所受摩阻力為0的點為中性點，在墻體與兩側土體壓縮模量相等時，其變形協(xié)調，在豎向應力作用下，不存在相對運動趨勢，可以說處處為中性點，但是兩種材料的強度總存在差異，就必然有中性點的存在。經計算防滲墻中性點位置隨k值變化的情況見圖3。

中性點位置在-15～23m之間，也就是在防滲墻深度的1/2～1/3處，符合端承墻的受力規(guī)律。中性點隨著k值的增大而深度逐漸增加，在二者的剛度比較接近時，k值對中性點的位置影響較大，當剛度差別較大時，中性點的位置基本不隨k值的變化而變化，對于崮山水庫防滲墻，當k>24時，中性點的位置基本不變。原因是防滲墻的模量較小時，防滲墻的變形大，產生的相對位移小，隨著深度增加，負摩阻力的增加引起的防滲墻壓縮量不斷變大，使防滲墻與兩側土體間的不均勻沉降得到了彌補，從而中性點位置較高。隨著k值的加大，中性點下降的速度在變慢。中性點也就是墻體所受應力最大的點，因此，在工程管理中，要重點加強防滲墻底端1/3～1/2之間的施工質量，加強該處的觀測。在工程設計中，防滲墻應力應變及滲壓計觀測設施主要安裝在墻體端1/3～1/2之間，就是因為該部位受力最大，最容易出現(xiàn)破壞。

5 相對沉降對負摩阻力的影響分析

只要墻體與土體之間產生相對運動或有運動趨勢，就會產生摩阻力，當產生滑動時摩阻力基本不變。圖4為防滲墻的相對沉降量與負摩阻力的關系曲線。

圖4 防滲墻相對沉降與摩阻力的關系曲線

由圖4可知，當相對沉降量小于1.5×10-5m時，負摩阻力與相對沉降量呈直線關系，說明墻體與土體之間位移在屈服范圍內，當相對沉降量達到一定程度后，墻體兩側的土體產生屈服破壞，即使相對沉降值再增加，負摩阻力也不會再加大，因此，在工程中要避免屈服破壞的發(fā)生。

6 結 語

通過對崮山水庫防滲墻側壁負摩阻力和中性點位置隨k值的變化規(guī)律的分析，得出以下主要結論：

a.水庫經過多年運行，壩體固結沉降明顯，最大沉降量達84.5cm，造成墻體產生較大的負摩阻力，其值已接近材料的極限抗拉強度，應加強墻體觀測。

b.防滲墻—土體相對剛度的大小，對防滲墻最大側壁負摩阻力有明顯影響。側壁負摩阻力在k值較小時增長較快，但隨著k值繼續(xù)增加，其最大負摩阻力增量逐漸減小。因此，為降低側壁負摩阻力，在滿足墻體抗壓強度的情況下，盡量采用低模量的材料以適應壩體變形，從而減小防滲墻的應力。

c.防滲墻最大豎向應力的位置基本在距防滲墻底端1/3～1/2處，因此，在工程中應加強該部位的監(jiān)測，防止墻體出現(xiàn)破壞。

[1] 鄭秀培.土石壩地基混凝土防滲墻設計與計算[M].北京：水利電力出版社，1979：12-20.

[2] 蘇炳煌.低彈模混凝土防滲墻新技術在村內水庫除險加固工程中的應用[J].水利建設與管理,2014(7):47-50.

[3] 張展弢,馮志焱.西安黃土地區(qū)靜壓樁荷載沉降特性與分析[J].巖石力學與工程學報，2005，24(14)：2549-2552.

[4] 楊洋,黃德強.土石壩低彈模塑性混凝土防滲墻應力變形分析[J].中國水能及電氣化,2014(9):52-56.

[5] 郭亞潔.張峰水庫塑性混凝土試驗研究[J].水利建設與管理,2007(5):83-84.

[6] 謝定義,姚仰平,黨發(fā)寧.高等土力學[M].北京:高等教育出版社，2007:111-121.

Analysis on negative friction resistance of earth dam concrete cut-off wall sidewalls

CHENG Suzhen, DU Bin, LIU Lili

(ShandongWaterConservancyScientificResearchInstitute,Ji’nan250013,China)

Concrete cut-off wall is a more commonly used method in earth dam anti-seepage reinforcement. However, elastic modulus and strength differences of walls and dam bodies on both sides are greater. Uneven settlement is produced between the walls and soil under the effect of overlying load, thereby negative friction resistance is produced on the sidewalls of cut-off wall, and the stress even can reach ultimate tensile strength of the materials, thereby leading to cracks on the walls and low seepage control effect. In the paper, Gushan Reservoir is adopted as an example. Finite element method is adopted to analyze the stress state of cut-off wall. Influence of the change of modulus ratiokto the negative friction resistance of walls, relationship between relative subsidence and negative friction resistance, position of neutral point, etc. are discussed, and theory support is provided for operation and management of cut-off wall.

cut-off wall; negative friction resistance; analysis

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.10.019

TV543+.82

A

1673-8241(2015)10-0066-05