韓 英

(凌海市灌區(qū)管理處，遼寧 凌海 121000)

高水速凝固體材料(簡(jiǎn)稱(chēng)高水材料)是英國(guó)在20世紀(jì)80年代初期研發(fā)的一種新型膠凝材料[1]，該材料具有早期強(qiáng)度高、膠結(jié)性能好以及成本低等特點(diǎn)，在港口、石油、軟土地基和采礦等[2- 4]工程中作為一種填充材料得到廣泛應(yīng)用，有關(guān)高水材料用作土石壩輸水涵回填材料的尚未見(jiàn)報(bào)道，因此研究高水材料在土石壩輸水涵回填工程中的應(yīng)用具有重要的意義。

高水材料作為一種常用的回填材料，大量專(zhuān)家學(xué)者對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，馮光明等[5]對(duì)形成高水材料的基料進(jìn)行了研究，從材料來(lái)源、礦物組成和價(jià)格等方面對(duì)比分析了4種不同水泥作為高水材料基料的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明硫鋁酸鹽水泥最適宜用作高水材料基料，因此目前有關(guān)高水材料基料研究主要集中于硫鋁酸鹽水泥。彭美勛等[6]對(duì)添加外加劑的高水材料進(jìn)行研究，研究了不同石膏摻量下，高水材料初凝特性并分析了不同齡期的摻石膏高水材料的無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明石膏摻量在80%～85%時(shí)，高水材料不同齡期下抗壓強(qiáng)度水平較高。黃玉誠(chéng)等[7]通過(guò)對(duì)高水材料進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)、角模試驗(yàn)和巴西劈裂法試驗(yàn)，研究了高水材料的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度，結(jié)果表明高水材料抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度均與齡期有關(guān)，不同齡期下高水材料抗拉強(qiáng)度<抗剪強(qiáng)度<抗壓強(qiáng)度。在實(shí)際工程中，高水材料受諸多環(huán)境因素影響，如高水材料常受具有侵蝕性離子，NO3-，Mg2+和Ca2+等因素影響，關(guān)于這方面的研究還有待進(jìn)一步完善[8- 10]。

興橋水庫(kù)興建于1974年，擋水建筑物為均質(zhì)土石壩，壩高18m，上下游壩坡比均為1∶1.75，均質(zhì)土壩上設(shè)有一條放水涵，為混凝土涵管，其截面尺寸為1m×1m，由于運(yùn)行至今已有40余年，輸水涵管已經(jīng)難以發(fā)揮正常功用，安全評(píng)價(jià)鑒定結(jié)果建議對(duì)該壩輸水涵管進(jìn)行回填，在壩體另一位置修筑新的放水涵，以實(shí)現(xiàn)水庫(kù)正常的防汛、灌溉和生態(tài)保持等功能。輸水涵回填若采用普通黏土，在輸水涵內(nèi)難以碾壓密實(shí)，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)防滲與沉降要求，而采用混凝土則會(huì)造成超強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)不合理。高水材料是一種良好的回填材料，目前在礦山工程中應(yīng)用廣泛，為研究高水材料在輸水涵回填工程中應(yīng)用的可行性，分別采用有限元對(duì)高水材料回填輸水涵運(yùn)行0.5年、1年、2年、5年、10年和20年的應(yīng)力、變形和滲流情況進(jìn)行模擬。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

取土石壩輸水涵縱剖面為典型斷面，建立二維有限元模型如圖1所示，壩高18m，上下游壩坡比均為1∶1.75，均質(zhì)土壩基礎(chǔ)為非重點(diǎn)研究對(duì)象，限于鉆孔參數(shù)限制，只考慮5m的基礎(chǔ)深度，且均取為粉質(zhì)黏土，基礎(chǔ)底部限制x向和y向的位移，基礎(chǔ)側(cè)面只限制x向位移，其他均設(shè)為自由邊界。本次計(jì)算高水材料回填輸水涵應(yīng)力變形采用SIGMA/W模塊，計(jì)算滲流采用SEEP/W模塊。高水材料參照既有研究成果[11]，取水灰比為4∶1，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

名稱(chēng)彈性模量/kPa內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力/kPa泊松比壩體60021340.38高水材料1200311470.31壩基50015290.41

2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖2為高水材料回填輸水涵洞應(yīng)力云圖，由圖可以看出，在涵管處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，涵管以上隨深度增大，應(yīng)力值逐漸增大，在涵管處達(dá)到最大，而在涵管以下隨深度增大，應(yīng)力值先減小后增大。圖3為高水材料回填輸水涵洞變形云圖，由圖可以看出，壩體基本處于沉降狀態(tài)，然而在壩角處存在向上隆起的趨勢(shì)，壩體能形成土拱效應(yīng)，故壩體變形基本呈環(huán)狀，隨深度增大，壩體沉降先增大后減小，在壩體與壩基的交界處，壩體沉降量最大。綜上分析可以看出，高水材料回填輸水涵洞可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)為其所產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但集中應(yīng)力大于高水材料抗剪強(qiáng)度時(shí)，高水材料會(huì)發(fā)生破壞，進(jìn)而可能導(dǎo)致整個(gè)壩體失穩(wěn)，將計(jì)算應(yīng)力值與高水材料抗剪強(qiáng)度值對(duì)比，高水材料的抗剪強(qiáng)度是其應(yīng)力最大值的4倍，故采用高水材料對(duì)輸水涵進(jìn)行回填時(shí)不會(huì)由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞。

圖4為高水材料回填輸水涵洞應(yīng)力最大值與輸水涵運(yùn)行年限關(guān)系曲線(xiàn)，由圖可以看出隨運(yùn)行年限增大，高水材料回填輸水涵洞應(yīng)力最大值逐漸減小，這是由于回填的高水材料隨時(shí)間增長(zhǎng)發(fā)生了強(qiáng)度值逐漸衰減，原本由高水材料承擔(dān)的壓力轉(zhuǎn)而由壩體承擔(dān)。圖5為高水材料回填輸水涵洞最大沉降值與輸水涵運(yùn)行年限關(guān)系曲線(xiàn)，由圖看出，隨運(yùn)行年限增大，高水材料回填輸水涵洞沉降最大值逐漸減增大，且呈明顯的對(duì)數(shù)關(guān)系。圖6為高水材料回填輸水涵洞滲流速度與輸水涵運(yùn)行年限關(guān)系曲線(xiàn)，由圖看出，運(yùn)行年限小于10年時(shí)，高水材料回填輸水涵洞滲流速度基本保持穩(wěn)定，而當(dāng)運(yùn)行年限超過(guò)10年時(shí)，滲流速度迅速增大，這可能是由于高水材料老化，形成了滲流通道。

圖2 高水材料回填輸水涵洞應(yīng)力云圖

圖3 高水材料回填輸水涵洞變形云圖

圖4 最大應(yīng)力值與運(yùn)行年限關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 最大沉降值與運(yùn)行年限關(guān)系曲線(xiàn)

圖6 滲流速度與運(yùn)行年限關(guān)系曲線(xiàn)

3 結(jié)語(yǔ)

采用有限元對(duì)高水材料作為均質(zhì)土壩輸水涵回填材料的可行性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，采用高水材料回填后會(huì)在輸水涵處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，然而高水材料抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其最大應(yīng)力值，且隨運(yùn)行年限增大，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸趨于不明顯。高水材料回填對(duì)壩體沉降變形影響不明顯，壩體最大沉降值仍在壩基與壩體交界處，且隨運(yùn)行年限增大，呈對(duì)數(shù)型增大。高水材料回填輸水涵運(yùn)行年限小于10年時(shí)，輸水涵滲流速度較小，且基本保持穩(wěn)定，而當(dāng)運(yùn)行年限超過(guò)10年時(shí)，輸水涵滲流速度迅速增大，建議采用高水材料回填的輸水涵管每隔10年左右進(jìn)行灌漿加固一次，以保證大壩安全。

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