摘要：利用建筑廢棄物制備成再生骨料在塑性混凝土領(lǐng)域具有較高的可行性。文章以某水庫大壩防滲墻建設(shè)為例，利用模型計算的方法探討了再生塑性混凝土在防滲墻建設(shè)領(lǐng)域的可行性，結(jié)論顯示大壩防滲墻使用再生塑性混凝土完全滿足防滲和安全要求，同時還可以顯著降低施工成本，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：再生骨料;再生塑性混凝土;防滲墻

中圖分類號：TV543.8 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?????文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，建筑廢棄物的數(shù)量也迅速遞增，而制備再生骨料是解決建筑廢棄物的重要手段^[1]。塑性混凝土是強(qiáng)度介于普通混凝土和黏土之間的一種新型柔性材料，具有強(qiáng)度低、滲透系數(shù)低等諸多優(yōu)勢，將其用于大壩防滲墻建設(shè)可以更好適應(yīng)土體變形，大幅減少應(yīng)力集中^[2]。將再生骨料用于塑性混凝土防滲墻建設(shè)，不僅可以彌補再生骨料的材料劣勢，還可以大幅降低塑性混凝土的制造成本，提高塑性混凝土的應(yīng)用價值^[3]。

1工程背景

某水庫位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市巴林左旗境內(nèi)的烏力吉沐倫河上游的沙那村。水庫始建于1975年，是一座以防洪和灌溉為主，兼具養(yǎng)殖、旅游等多種功能于一體的中型水庫^[4]。水庫的原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇，主要建筑物級別為3級。由于水庫原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不高，多年缺乏有效維護(hù)，經(jīng)98大洪水后，病險情況日益嚴(yán)重，亟待進(jìn)行除險加固。水庫大壩分為主壩和副壩，主壩原壩高48m，壩長173m，壩頂寬10m，屬于心培土石壩。加固后的大壩主壩高由62m，壩頂長201m，壩頂寬10m，壩體的下游壩利用玄武巖石渣料，上游1065m高程以采用粘土料，以上為玄武巖風(fēng)化料。大壩的上下游壩坡均采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡。壩體下設(shè)防滲墻，采用帷幕灌漿進(jìn)行壩基的基礎(chǔ)防滲。本次研究的計算剖面選取的是樁號為0+080的大壩主壩橫斷面。該剖面的壩體主要由原壩體以及除險加固過程中的新建壩體兩部分組成。主要結(jié)構(gòu)包括原壩體的上游和下游壩殼，原壩體的粘土心墻、斜心墻、堆石排水體，除險加固后的上下游壩殼、堆石排水體、混凝土防滲墻和帷幕灌漿體以及大壩主壩的砂卵礫石層、壩基基巖、強(qiáng)風(fēng)化基巖和斷層破裂帶。

2MIDAS有限元計算模型

2.1軟件簡介

MIDAS GTS NX軟件是韓國MIDAS IT公司開發(fā)的三維有限元分析軟件，其界面完全漢化，便于我國學(xué)者學(xué)習(xí)和使用^[5]。諸多大型工程的運用結(jié)果證明了其結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性^[6]。MIDAS有限元軟件提供了13種本構(gòu)模型。鑒于本次研究僅可以獲得粘聚力、內(nèi)摩擦角和重度等主要計算參數(shù)，因此選取彈性和莫爾-庫侖模型作為主壩壩體的本構(gòu)模型^[7]。

2.2計算模型的構(gòu)建

某水庫大壩的主壩二維滲流采用MIDAS三維有限元軟件中的GTS模塊。計算模型的橫斷面網(wǎng)格劃分如圖1所示。模型長450m，寬185m，底部高程取973m，壩頂計算高程為1076m，模型一共劃分為201673個計算單元，124858個計算節(jié)點，以主壩體的下部基巖為相對隔水層。研究中以除險加固工程設(shè)計前期的地質(zhì)勘測資料以及相關(guān)工程數(shù)據(jù)確定大壩各部分材料計算參數(shù)。其中，防滲墻所使用的塑性混凝土強(qiáng)度和滲透系數(shù)之間為正比關(guān)系，因此直接使用塑性混凝土滲透系數(shù)作為再生塑性混凝土的滲透系數(shù)^[8]。

2.3計算工況設(shè)計

為了通過數(shù)值模擬分析獲取塑性混凝土和普通剛性混凝土防滲墻對大壩防滲效果以及土體應(yīng)力的影響，本次研究設(shè)置了兩種模擬工況。其中工況1為使用普通剛性混凝土進(jìn)行防滲墻建設(shè);工況2為利用再生塑性混凝土進(jìn)行防滲墻建設(shè)。

2.4模型的驗證

大壩的計算剖面設(shè)置有ZU1-ZU5 5個測壓管，其具體布置如圖1所示。在模型驗證過程中利用上述5個測壓管在除險加固工程施工前的2016年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證計算。模型計算結(jié)果與監(jiān)測的真實水位數(shù)據(jù)對比如表1所示。由表中的計算結(jié)果可知，模型計算結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)比較吻合，說明模型計算的數(shù)據(jù)可靠，可以用于后續(xù)計算研究。

3計算結(jié)果與分析

3.1大壩變形分析

利用構(gòu)建的三維有限元模型對兩種不同工況下的大壩位移變形進(jìn)行數(shù)值模擬計算。由計算結(jié)果可知，在工況1條件下，在新建的大壩粘土心墻以及原上游壩殼和拋土部位會產(chǎn)生較大的豎向位移，最大位移量為112mm，位于新建斜心墻上部;最大水平位移產(chǎn)生于原上游壩殼部位，為103mm。在工況2條件下，大壩的水平位移值和產(chǎn)生的位置基本相同，最大位移量為101mm，最大豎向位移也分布在斜心墻部位，為93.5mm，相比工況1有明顯減小。

3.2大壩應(yīng)力分析

對兩種不同工況下的大壩應(yīng)力及分布進(jìn)行數(shù)值模擬計算。工況1條件下，土體在與大壩心墻、防滲墻以及基巖交界處的主應(yīng)力較大，最大值位于心墻、基巖和土體結(jié)合部，最大值為0.74MPa?；炷列膲?nèi)部的主應(yīng)力自上而下逐漸增大，但是進(jìn)入基巖后則迅速減小，最大值為5.78MPa。由此可見，由于材料之間在彈性模量上的巨大差異，是主應(yīng)力產(chǎn)生的主因。

工況2條件下，主應(yīng)力的分布特征與工況1基本相同，最大值為0.63MPa，混凝土心墻內(nèi)部的主應(yīng)力最大值為4.16MPa。相比方案1，再生塑性混凝土防滲墻產(chǎn)生的主應(yīng)力有所下降。就其原因，主要是塑性混凝土與周圍土體的協(xié)調(diào)變形作用明顯，有效減少和約束了主應(yīng)力的產(chǎn)生。

3.3大壩滲流分析

利用上文構(gòu)建的模型對工況1條件下的浸潤面、孔隙壓力和流線進(jìn)行計算。由計算結(jié)果可知，大壩上游庫水位經(jīng)過斜心墻和防滲墻部位時，浸潤線的位置急劇下降，之后有所抬升，最終緩慢下降至排水棱體，防滲墻下游的浸潤線與上游相比呈現(xiàn)出斷崖式下降態(tài)勢。從孔隙壓力來看，斜心墻、防滲墻與防滲帷幕組成的防滲系統(tǒng)前的孔隙水壓力等勢線呈平行分布狀態(tài)，位置越低，孔隙水壓力越大;防滲系統(tǒng)后的孔隙水壓力等勢線也呈平行狀態(tài)但有一定的傾斜，且浸潤線上方的孔隙水壓力為負(fù)值。從大壩內(nèi)部的流場分布來看，多數(shù)沒有經(jīng)過防滲墻?？傊?，混凝土防滲墻可以起到良好的防滲作用，具有顯著的防滲效果。

利用上文構(gòu)建的模型對工況2條件下的浸潤面、孔隙壓力和流線進(jìn)行計算。由計算結(jié)果可知，在更換為再生塑性混凝土之后，大壩主壩的浸潤線、流線分布以及孔隙水壓力分布變化不大，說明與剛性混凝土相比，再生塑性混凝土防滲墻也可以獲得良好的防滲效果。

對兩種工況下的水利坡降進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。由表格中的計算結(jié)果可知，工況2下大壩主壩各部位的水力坡降比工況1稍小，說明再生塑性混凝土防滲墻可以滿足大壩主壩不同部位的水力坡降允許值，不會造成管涌破壞。

4結(jié)語

將建筑廢棄物制備成再生骨料加以利用是建筑垃圾處理的有效方法。文章以某水庫大壩防滲墻建設(shè)為例，探討了再生塑性混凝土在防滲墻建設(shè)領(lǐng)域的可行性，并獲得如下主要結(jié)論：

（1）在使用再生塑性混凝土的條件下，大壩的水平位移值和產(chǎn)生的位置與剛性混凝土條件下基本相同，最大位移量有明顯減小。

（2）相對于剛性混凝土，防滲墻使用再生塑性混凝土條件下的大壩主應(yīng)力的分布特征基本相同，主應(yīng)力值有所下降。

（3）防滲墻在使用再生塑性混凝土情況下，大壩主壩的浸潤線、流線分布以及孔隙水壓力分布變化不大，可以獲得良好的防滲效果;主壩各部位的水力坡降有一定減小且滿足主壩不同部位的水力坡降允許值，不會造成管涌破壞。

（4）模型計算結(jié)果顯示，防滲墻使用再生塑性混凝土完全滿足施工要求，同時還可以顯著降低施工成本，具有一定的推廣價值。

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收稿日期：2019-08-19

作者簡介：趙霞（1983—），女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市烏拉特前旗人，本科，安全評價師，從事非煤礦山類安全評價和評估工作。