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        混凝土彈性模量對(duì)混凝土防滲墻應(yīng)力影響的數(shù)值分析

        2017-03-25 05:13:12
        湖南水利水電 2017年1期
        關(guān)鍵詞:彈模洪水位除險(xiǎn)

        (遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局沈陽市110003)

        混凝土彈性模量對(duì)混凝土防滲墻應(yīng)力影響的數(shù)值分析

        羅東翔

        (遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局沈陽市110003)

        近年來混凝土防滲墻作為一種重要方案用于土石壩的防滲處理,而低彈?;炷劣捎趯?duì)不均勻應(yīng)力應(yīng)變的適應(yīng)能力更強(qiáng),得到廣泛應(yīng)用。鑒于低彈模混凝土在類似除險(xiǎn)加固工程中的重要性,擬對(duì)不同彈性模量對(duì)防滲墻的影響作計(jì)算和分析,得出該工程實(shí)例彈性模量的合理取值,以期對(duì)類似除險(xiǎn)加固工程有一定借鑒作用。

        Midas/GTS低彈?;炷练罎B墻數(shù)值模擬

        1960年以來,對(duì)普通混凝土摻入一定黏土或膨脹土等材料的塑性混凝土(彈性模量小于1 000 MPa)在國(guó)際上出現(xiàn),并開始應(yīng)用于土石壩壩體防滲處理。1980年以來,介于塑性混凝土和普通混凝土之間的低彈模混凝土開始應(yīng)用于我國(guó)江蘇和浙江省內(nèi)眾多的大壩防滲加固,但彈性模量一般在17 000 MPa左右。而在2000年之后,多數(shù)水庫的防滲處理均采用了更低的彈模數(shù)值,例如浙江省對(duì)河口水庫除險(xiǎn)加固采用混凝土彈模數(shù)值≤2 500 MPa、浙江省長(zhǎng)潭水庫除險(xiǎn)加固采用混凝土彈模數(shù)值≤1 250 MPa、浙江省通濟(jì)橋水庫除險(xiǎn)加固采用混凝土彈模數(shù)值≤3 000 MPa等。國(guó)內(nèi)部分水庫的低彈?;炷翉椥阅A亢涂箟海ɡ?qiáng)度指標(biāo)見表1。

        表1 國(guó)內(nèi)部分水庫低彈模防滲墻的彈模與抗壓(拉)強(qiáng)度指標(biāo)

        本工程實(shí)例同為水庫除險(xiǎn)加固工程,壩體為粘土心墻壩,壩高38.5 m,防滲墻將施工于原壩體粘土心墻內(nèi),且最大深度達(dá)41.80 m,如采用常規(guī)混凝土,墻體彈性模量較高,在水荷載的作用下將出現(xiàn)較大的變形及應(yīng)力集中現(xiàn)象,產(chǎn)生的拉應(yīng)力有可能使墻體發(fā)生裂縫,進(jìn)而影響防滲效果,故采用低彈?;炷?。介于此,擬對(duì)特定條件下,不同彈性模量對(duì)防滲墻的影響作計(jì)算和分析,得出該工程實(shí)例彈模的合理取值,以期對(duì)類似除險(xiǎn)加固工程給予一定借鑒。

        1 計(jì)算基本資料

        水庫特征水位:死水位為93.00 m;正常蓄水位為122.50 m;校核洪水位(P=0.05%)為125.12 m;設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)為124.33 m。計(jì)算所需的參數(shù)參照國(guó)內(nèi)外類似工程及類似材料的非線性應(yīng)力~應(yīng)變參數(shù),并結(jié)合地質(zhì)鉆探資料選取大壩、壩基材料參數(shù)值(表2),壩體結(jié)果如圖1。

        表2中材料編號(hào)為:1—壩基砂卵礫石;2—壩體心墻粘土;3—壩體砂礫石;4—浸水后壩基砂卵礫石;5—浸水后壩體心墻粘土;6—浸水后壩體砂礫石;7—混凝土防滲墻(E=1 000、1 500、2 000、3 000、5 000、8 000 MPa)。

        表2 壩體材料參數(shù)表

        圖1 壩體結(jié)構(gòu)斷面圖

        2 SDAP程序計(jì)算

        采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院提供的SDAP程序,計(jì)算模型采用E-υ模型,采用逐次增量的方法模擬材料的非線性特性。

        計(jì)算時(shí)選取壩體最大斷面。計(jì)算工況選取正常蓄水位與校核洪水位情況。計(jì)算中考慮防滲墻底部與基巖之間設(shè)一層0.1 m厚的沉碴。防滲墻墻體材料采用低彈模混凝土,混凝土彈性模量分別取1 000 MPa、1500MPa、2000MPa、2500MPa、3000MPa、5000 MPa、8 000 MPa。防滲墻應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。

        彈性模量取2 500 MPa時(shí),防滲墻最大拉應(yīng)力分別為0.56 MPa和0.92 MPa,當(dāng)彈性模量取5 000 MPa時(shí),防滲墻最大拉應(yīng)力分別1.37 MPa和2.01 MPa,最大拉應(yīng)力均位于83.70 m高程左右。不同彈性模量對(duì)應(yīng)最大壓(拉)應(yīng)力關(guān)系曲線見圖2。

        表3 壩體應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算成果表MPa

        圖2 彈性模量與最大壓(拉)應(yīng)力關(guān)系曲線

        3 Midas/GTS軟件對(duì)比計(jì)算

        利用Midas/GTS強(qiáng)大的幾何建模技術(shù)建立三維實(shí)體模型,模型采用整體建模,實(shí)體模型如圖3和圖4,離散后共有實(shí)體單元28 410個(gè),定義材料屬性。計(jì)算中將上游面水頭作為定水頭邊界處理,下游水位為零,壩基按透水邊界處理,壩下游面為透水邊界。

        圖3 不包含基巖的壩體三維實(shí)體模型

        圖4 壩體三維有限元模型

        計(jì)算模型仍選用“E-υ模型”,計(jì)算時(shí)選取壩體最大斷面。計(jì)算工況選取正常蓄水位與校核洪水位兩種工況。防滲墻墻體材料采用低彈模混凝土,為作對(duì)比,混凝土彈性模量仍然分別取1 000 MPa、1 500 MPa、2 000MPa、2500MPa、3000MPa、5000MPa、8000MPa。

        一般混凝土(彈模取值30000 MPa)和低彈?;炷粒◤椖H≈?000 MPa)在校核洪水位下位移見圖5,防滲墻應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4和圖6。

        圖5 校核洪水位下位移等值線圖

        表4 Midas/GTS應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算成果表MPa

        圖6 彈性模量與最大壓(拉)應(yīng)力關(guān)系曲線

        4 結(jié)論

        (1)防滲墻墻體材料采用低彈?;炷粒哂休^低的彈性模量更能適應(yīng)不均勻受力及相應(yīng)的變形。

        (2)通過正常蓄水位(122.50 m)和校核洪水位(125.12 m)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可見,水位的增加對(duì)墻體的應(yīng)力有一定影響,水位升高會(huì)使墻體應(yīng)力變大。

        (3)另外,隨著防滲墻彈性模量改變,防滲墻的應(yīng)力隨之變化。從本工程實(shí)例來看,彈性模量超過3 000 MPa以后,防滲墻的應(yīng)力變化較為顯著,建議彈性模量不超過3 000 MPa。

        (4)本工程實(shí)例中的彈模取值是在特定的邊界條件下計(jì)算得出的相關(guān)建議,實(shí)際上防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變情況與壩高、溫度、水位、壩體材料等多種因素有關(guān),故在類似低彈?;炷练罎B墻施工前,必須通過應(yīng)力計(jì)算得出彈性模量的臨界值以保證防滲墻的安全性。

        [1]白永年.中國(guó)堤壩防滲加固新技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2001.

        [2]丁樹云,蔡正銀.土石壩滲流研究綜述[J].人民長(zhǎng)江,2008,39(2):33-36.

        [3]尉高洋.低彈?;炷练罎B墻在某土石壩加固中的應(yīng)用[J].浙江水利科技,2006,144(2):37-39.

        [4]郎小燕.混凝土防滲墻在土石壩工程中的應(yīng)用與發(fā)展[J].水利水電技術(shù),2007,38(8):42-45.

        2016-12-09)

        羅東翔(1982-),男,滿族,大學(xué)本科,工程師,主要從事水利水電工程管理,長(zhǎng)距離輸水等方面的技術(shù)性工作,通信地址:沈陽市和平區(qū)光榮街十四緯路,郵編110003,手機(jī):15214216353,E-mail:7387333@qq.com。

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