呂良健

（上饒市科信水利水電勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，江西上饒 334000）

0 引言

土石壩，作為水利工程中最為悠久的一種壩型，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，筑壩技術(shù)有了很大的提高，但是目前仍常發(fā)生大壩失事事故，主要原因?yàn)椋旱卣?、洪水漫頂、壩體滲漏及滑坡。其中滑坡和壩體滲漏是主要因素，均是因?yàn)樗囊蛩?。滲漏問(wèn)題即是壩體內(nèi)部發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，在上游水壓的作用下逐步發(fā)生擴(kuò)展然后導(dǎo)致潰壩；而影響庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性失穩(wěn)破壞的重要因素是水作用，水不僅會(huì)軟化巖土體，而且水的滲流作用會(huì)影響邊坡內(nèi)的滲流場(chǎng)變化，并隨之影響岸坡的穩(wěn)定性[1-2]。

對(duì)于病險(xiǎn)水庫(kù)，大部分都是因?yàn)闈B漏問(wèn)題進(jìn)而需要進(jìn)行加固，防滲墻是最可靠和有效的防滲措施，因而得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于覆蓋層較厚的壩體，采用混凝土防滲墻作為防滲體更是一種經(jīng)濟(jì)有效的處理方式。如何合理地選擇防滲墻的形式，以及對(duì)防滲墻應(yīng)力變形分析，是工程中亟需解決的問(wèn)題[3-10]。

目前，有限元分析已應(yīng)用于土石壩及混凝土防滲墻的應(yīng)力變形分析。陳劍等[3]從結(jié)構(gòu)型式和接觸面參數(shù)對(duì)防滲墻應(yīng)力變形進(jìn)行了分析；蔣定國(guó)等[4]研究認(rèn)為“泥皮”在風(fēng)化砂體和墻體之間起接觸面作用，且摩擦系數(shù)很?。粚O明權(quán)等[5]分析了不同的墻端約束形式、不同強(qiáng)度基巖及壩體材料對(duì)防滲墻應(yīng)力變形的影響；馬曉華等[6]研究了正常水位下防滲墻的應(yīng)力和變形隨壩體土料和防滲墻彈性模量變化而變化的規(guī)律，周愛(ài)兆等[7]通過(guò)4種不同接觸面下混凝土防滲墻的受力變形特征得出了不同接觸面單元對(duì)墻體應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果的影響規(guī)律。

防滲墻的幾何參數(shù)、材料參數(shù)對(duì)壩體穩(wěn)定性均會(huì)有所影響，因此，如何合理選擇防滲墻的厚度、如何合理選擇混凝土防滲墻的計(jì)算參數(shù)，如何做到對(duì)其應(yīng)力變形狀態(tài)演變規(guī)律的掌握，無(wú)疑是此類工程設(shè)計(jì)所需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。鑒于此，基于有限元數(shù)值模擬，對(duì)不同彈性模量、心墻厚度以及心墻位置的防滲墻壩體進(jìn)行分析。

1 模型的建立及模型參數(shù)

在水庫(kù)蓄水、大氣降雨等不利因素作用下，某土石壩壩坡處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，可能產(chǎn)生滑移型、剝蝕侵蝕型破壞，產(chǎn)生塌岸破壞在所難免。因此，開(kāi)展該段庫(kù)岸的治理工作十分必要。

對(duì)研究區(qū)勘察資料進(jìn)行整理，選取庫(kù)岸的某個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，對(duì)土石壩壩坡進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，壩坡簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 壩坡簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

所研究的土石壩壩坡為帶混凝土防滲墻的壩體，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)以及規(guī)范[11]，對(duì)巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值，表1為壩坡相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 壩坡相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

利用Phase2有限元軟件，對(duì)帶混凝土防滲墻的壩體進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析。

2 混凝土防滲墻參數(shù)滲流分析

2.1 滲流分析

對(duì)建立防滲墻前后的壩坡進(jìn)行滲流分析，壩體孔壓示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 壩體孔壓示意圖

從圖2中可以看出，壩體中建有混凝土防滲墻后，孔壓發(fā)生了明顯的變化。建立防滲墻前，壩體的浸潤(rùn)線從上游坡面到下游坡面為一條直線，建立防滲墻后，壩體的浸潤(rùn)線在防滲墻處發(fā)生了突變，壩體上游的孔壓幾乎沒(méi)有變化，浸潤(rùn)線也沒(méi)有明顯變化，但壩體下游土體孔壓減小，浸潤(rùn)線也相應(yīng)的降低。從孔壓示意圖中可以看出，建立防滲墻后下游壩體的浸潤(rùn)線明顯降低，必然會(huì)對(duì)壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.2 應(yīng)力分析

利用Phase2對(duì)建立防滲墻前后的壩坡進(jìn)行應(yīng)力分析，圖3為豎向應(yīng)力云圖。

圖3 壩體豎向應(yīng)力云圖

從圖3中可以看出，建立防滲墻前，壩坡的豎向應(yīng)力幾乎為對(duì)稱分布，建立防滲墻后，上下游壩坡的豎向應(yīng)力有明顯差異，但總體應(yīng)力大小相差較小，最大應(yīng)力均在壩坡底部，對(duì)中部巖土體的應(yīng)力無(wú)明顯影響。

3 防滲墻參數(shù)變化

3.1 彈性模量變化

混凝土防滲心墻的彈性模量變化，會(huì)對(duì)其剛度及擾度產(chǎn)生影響，分別對(duì)不同彈性模量情況下的土石壩進(jìn)行分析，彈性模量為：35，25，15，1 GPa。表2為應(yīng)力變形匯總表，因篇幅有限，只列舉了彈性模量為15 GPa情況下位移及主應(yīng)力分析圖，見(jiàn)圖4。

從表2和圖5中可以看出，對(duì)于剛性的防滲心墻，隨著彈性模量發(fā)生變化時(shí)，土石壩的水平位移和豎向位移變化很小，因此彈性模量對(duì)壩體的位移影響很小。對(duì)于不同彈性模量的防滲心墻，隨著防滲心墻高度的增加，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的絕對(duì)值均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明防滲墻以受壓為主。防滲心墻的彈性模量在15～25 GPa之間時(shí)，其應(yīng)力水平較穩(wěn)定，防滲墻結(jié)構(gòu)較安全。

表2 不同彈性模量下壩體計(jì)算結(jié)果

圖4 彈性模量為15 kPa時(shí)壩體位移及主應(yīng)力分析圖

3.2 厚度變化

分別對(duì)不同厚度的混凝土防滲心墻對(duì)土石壩的影響進(jìn)行分析，厚度為：40，60，80，100 cm，表3為應(yīng)力變形匯總表，因篇幅有限，只列舉了彈性模量為60 cm情況下位移及主應(yīng)力分析圖，圖5為位移及主應(yīng)力分析圖。

表3 防滲心墻不同厚度情況下壩體計(jì)算結(jié)果

從表3和圖5中可以看出，隨著混凝土防滲墻厚度發(fā)生變化時(shí)，土石壩的水平位移和豎向位移變化很小。防滲心墻的厚度越大，第一主應(yīng)力越大，第三主應(yīng)力的絕對(duì)值越小，隨著防滲心墻高程的增加，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的絕對(duì)值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并且均為負(fù)值，說(shuō)明防滲墻以受壓為主。防滲墻的厚度越大，第三主應(yīng)力絕對(duì)值越小，壓應(yīng)力越小，結(jié)構(gòu)相對(duì)較安全。

3.3 位置變化

分別對(duì)混凝土防滲心墻位置變化對(duì)土石壩的影響進(jìn)行分析，防滲心墻距上游面壩頂?shù)木嚯xL為：2，3.6，6，8 m，表4為應(yīng)力變形匯總表，因篇幅有限，只列舉了防滲心墻距上游壩頂距離為6 m情況下位移及主應(yīng)力分析圖，圖6為位移及主應(yīng)力分析圖。

從表4和圖6中可以看出，隨著防滲心墻位置發(fā)生變化時(shí)，土石壩的水平位移和豎向位移變化很小。防滲心墻離上游面壩頂距離越遠(yuǎn)時(shí)，第一主應(yīng)力越大，第三主應(yīng)力的絕對(duì)值越大，隨著防滲心墻高度的增加，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力呈波動(dòng)變化，總體上其絕對(duì)值逐漸減小，且均為負(fù)值，防滲墻以受壓為主。防滲墻的距上游壩頂距離越小，第三主應(yīng)力絕對(duì)值越小，壓應(yīng)力越小，結(jié)構(gòu)相對(duì)較安全。

4 結(jié)論

圖5 厚度為60 cm時(shí)壩體位移及主應(yīng)力分析圖

表4 不同防滲心墻位置下壩體計(jì)算結(jié)果

針對(duì)土石壩中常用的防滲心墻，采用有限元數(shù)值模擬手段，考慮不同彈性模量、心墻厚度、心墻位置等因素，對(duì)某土石壩實(shí)例進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：對(duì)于本算例，增加防滲墻的厚度，可以降低防滲墻的應(yīng)力水平，結(jié)構(gòu)相對(duì)更加安全；防滲墻的彈性模量在15～25 GPa之間時(shí)，防滲墻不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的壓應(yīng)力，其應(yīng)力水平較穩(wěn)定；防滲墻與上游壩頂面的距離越小，其應(yīng)力水平相對(duì)越低，結(jié)構(gòu)相對(duì)越安全。

圖6 防滲心墻距上游壩頂距離為6 m時(shí)壩體位移及主應(yīng)力分析圖