馬海兵

（新疆阜康市水利管理總站上戶溝水管所，新疆阜康831500）

深厚覆蓋層上復(fù)合土工膜防滲體受力特性分析

馬海兵

（新疆阜康市水利管理總站上戶溝水管所，新疆阜康831500）

分析土工膜防滲受力變形特性，有助于了解防滲體系在可能的不良情況下是否能夠安全運(yùn)行，進(jìn)而掌握大壩結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行狀況。研究符合土工膜的受力特性屬于材料與邊界條件的雙重非線性問(wèn)題，采用非線性有限元對(duì)雙河水庫(kù)復(fù)合土工膜防滲體受力特性進(jìn)行分析，對(duì)壩體力學(xué)特性和變形規(guī)律進(jìn)行研究得出：復(fù)合土工膜與粗粒墊層結(jié)構(gòu)面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屬于應(yīng)變軟化型，符合一般應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，在可能的不良情況下，大壩應(yīng)力、變形都在安全允許范圍內(nèi)，大壩結(jié)構(gòu)安全符合設(shè)計(jì)要求。

雙河水庫(kù)；壩體；土工膜；受力特性

0 引言

近年來(lái)，隨著材料制造工藝的不斷進(jìn)步，復(fù)合土工膜在防滲性能方面取得長(zhǎng)足的改進(jìn)，具有良好的力學(xué)特性和防滲特性，在水力工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。復(fù)合土工膜作為壩體防滲結(jié)構(gòu)的一部分，土工膜與墊層結(jié)構(gòu)面的受力特性勢(shì)必會(huì)影響到土工膜防滲特性的發(fā)揮。雙河水庫(kù)大壩建設(shè)在深厚覆蓋層上，工程設(shè)計(jì)采用土工膜+砂殼的防滲形式。分析土工膜防滲受力變形特性，有助于了解防滲體系在可能的不良情況下是否能夠安全運(yùn)行，進(jìn)而掌握大壩結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行狀況。

1 工程概況

雙河水庫(kù)處于白楊河山前沖洪積傾斜平原之上部，庫(kù)區(qū)地層由第四紀(jì)上更新世（Q3）卵石、全新世（Q4）淤泥質(zhì)粉土層組成。但淤泥質(zhì)粉土層厚度較小，分布不均屬弱透水層。而下部有由巨厚卵石和碎石土組成，分布較穩(wěn)定，滲透系數(shù)為4.1×10-3cm/s（3.5 m/d），屬中等透水層，地下水埋深大于150 m。大壩建設(shè)深厚覆蓋層上，壩體上下游壩坡坡比分別為1∶3和1∶2。

復(fù)合土工膜的規(guī)格型號(hào)采用200 g/m2/PE0.50/200 g/m2，幅寬采用6.0 m~8.0 m，拉伸強(qiáng)度不低于180 N/（5 cm），斷裂延伸率不低于40%，彈性模量在5℃不低于70 MPa，抗凍性（脆性溫度）不應(yīng)低于-60℃，撕裂強(qiáng)度應(yīng)大于或等于40 N/mm，抗?jié)B強(qiáng)度應(yīng)在1.05 MPa水壓下48小時(shí)不透水，滲透系數(shù)為10-11cm/s~10-12cm/s。

2 計(jì)算模型

根據(jù)文獻(xiàn)資料[1-2]可知，土工膜單寬拉力會(huì)隨著拉應(yīng)變的增加而增加，到一定程度后拉力會(huì)下降。復(fù)合土工膜與墊層結(jié)構(gòu)面在接觸過(guò)程中，二者之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，而對(duì)摩擦特性有直接影響的為剪應(yīng)力。而工程壩體的填筑料選擇的是砂礫石料，其屬于非線性材料，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系亦呈非線性。同時(shí)，土工膜與壩體結(jié)構(gòu)面屬于邊界條件的非線性接觸，所以，研究復(fù)合土工膜防滲斜墻的受力特性屬于材料與邊界條件的雙重非線性問(wèn)題研究。

2.1 本構(gòu)模型

為了解本工程土工膜與墊層結(jié)構(gòu)面的摩擦特性，設(shè)計(jì)通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在25 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa四種不同豎向應(yīng)力作用下，求得土工膜與不同結(jié)構(gòu)面的位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線，進(jìn)而推導(dǎo)得出最大剪切應(yīng)力[3-4]。圖1所示為在不同法向正應(yīng)力條件下土工膜與墊層結(jié)構(gòu)面的位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線。分析可知，位移-剪應(yīng)力曲線呈明顯的拋物線形態(tài)，隨著拉應(yīng)變的不斷增加，剪應(yīng)力值逐漸增加，并且經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)階段、緩慢增長(zhǎng)階段以及緩慢下降階段，剪應(yīng)力峰值在緩慢增長(zhǎng)階段達(dá)到最大值。剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著拉應(yīng)變的繼續(xù)增加，剪應(yīng)力將發(fā)生降低，并出現(xiàn)殘余應(yīng)力。同時(shí)，不同法向正應(yīng)力條件下，殘余應(yīng)力也有明顯不同，正應(yīng)力越大殘余應(yīng)力也越大。因此，分析得出土工膜與壩體結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屬于應(yīng)變軟化型。

2.2 模型建立

模型建立過(guò)程中，通過(guò)等效替換的方式對(duì)土工膜厚度與滲透系數(shù)進(jìn)行同步擴(kuò)大，以提升計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度[5]。采用庫(kù)倫摩擦模型，復(fù)合土工膜設(shè)計(jì)采用四邊形薄膜單元[6-8]。模型壩體和壩基單元數(shù)分別為2400個(gè)、7480個(gè)，土工膜單元440個(gè)，通過(guò)土工膜拉伸和剪切試驗(yàn)得到的材料參數(shù)見(jiàn)表1。同時(shí)，模擬計(jì)算過(guò)程中，對(duì)于兩個(gè)表面之間的摩擦行為用摩擦系數(shù)來(lái)進(jìn)行表征。

圖1土工膜與結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力-位移曲線變化規(guī)律

表1 復(fù)合土工膜主要材料參數(shù)

3 復(fù)合土工膜受力特性分析

3.1 土工膜應(yīng)力應(yīng)變

復(fù)合土工膜鋪設(shè)一般壩體填筑施工完畢后進(jìn)行，因此，在施工完建期土工膜受到的外力載荷較小，所產(chǎn)生的變形一般較小。復(fù)合土工膜本身具有良好的柔韌性，抗拉能力較小，且抗彎曲變形能力幾乎可忽略不計(jì)，因此，不可能依靠復(fù)合土工膜去限制壩體變形。在水庫(kù)運(yùn)行階段，復(fù)合土工膜變形屬于從屬變形，由壩體承受水壓而附帶產(chǎn)生的變形。圖2為模擬水庫(kù)蓄水引起的土工膜變形等值線，分析可知，土工膜的變形主要有2類，即向壩體下游方面的水平變形和沉降變形，沉降變形主要是隨著壩體沉降而產(chǎn)生。土工膜最大水平位移為4.5 cm，最大沉降變形值為5.5 cm，延伸率達(dá)到15%，發(fā)生在土工膜與左右岸坡的接合位置。水庫(kù)蓄水后，土工膜與岸坡接合處為應(yīng)力集中區(qū)域，因此這一部位的土工膜變形較大，而實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的土工膜延伸率為136%~142%，判定復(fù)合土工膜并未發(fā)生延伸破壞。

圖2軸向位移等值線

3.2 剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系

模擬得到土工膜與墊層結(jié)合處的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。將之與實(shí)驗(yàn)得到的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比可知，兩者的變化情況基本相同，這也表明模擬結(jié)果的可靠性。模擬得到的最大剪應(yīng)力為19.45 kPa，土工膜上下界面剪應(yīng)力不超過(guò)峰值，計(jì)算工況條件下防滲體系結(jié)構(gòu)符合運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

圖3土工膜界面剪應(yīng)力-剪應(yīng)變變化情況

圖4壩體蓄水期等值線(單位:cm)

通過(guò)有限元計(jì)算模擬，得到整個(gè)壩體沉降量和水平位移最大值分別為16 cm、4.5 cm，如圖4所示。水庫(kù)蓄水后，壩體產(chǎn)生的垂直和水平位移基本上都沿著大壩軸線對(duì)稱分布，表明整個(gè)大壩受力情況良好，且并沒(méi)有產(chǎn)生異常變形，認(rèn)為壩體結(jié)構(gòu)和土工膜防滲結(jié)構(gòu)都滿足壩體穩(wěn)定運(yùn)行的要求。圖4（b）水平位移分布特征也很好地應(yīng)證了復(fù)合土工膜壩體的非線性，隨著正壓力增加，殘余應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)地增加。

4 結(jié)論

本文在復(fù)工土工膜防滲體結(jié)構(gòu)建模過(guò)程中，充分考慮了結(jié)構(gòu)單元的特性，對(duì)壩體穩(wěn)定性具有更加全面、合理的評(píng)價(jià)。研究得到：土工膜與壩體結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屬于應(yīng)變軟化型；模擬得到的水平位移、沉降變形、延伸率最大值分別為4.5 cm、5.5 cm、15%，發(fā)生在土工膜與左右岸坡的接合位置，土工膜所受應(yīng)力與變形均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)；壩體垂直和水平位移沿壩體軸線對(duì)稱分布，復(fù)合土工膜壩體應(yīng)力應(yīng)變符合一般應(yīng)力變形規(guī)律，壩體結(jié)構(gòu)滿足安全運(yùn)行要求，不會(huì)發(fā)生塑形破壞。

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1673-9000（2017）03-0136-03

2017-01-03

馬海兵（1982-），男，新疆阜康人，工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。