杜澤鵬，孫慶豐

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

北方某銅鉬礦為了節(jié)約水資源，保護周邊環(huán)境，實現礦山生產廢水循環(huán)使用，一期回水工程在尾礦庫壩下設有回水池，回水池下游設防滲帷幕，但總體防滲效果不理想，不能滿足環(huán)保要求。為了進一步改善防滲效果，二期回水工程在防滲帷幕下游增設混凝土防滲墻接帷幕灌漿，以改善防滲效果。但當地氣溫年變幅很大，混凝土防滲墻的溫度應力變化可能使混凝土結構發(fā)生裂縫，從而失去防滲效果。因此，本文將對混凝土防滲墻采用不同墻體材料時受溫度荷載作用墻體應力分布情況及對墻體結構的影響進行研究分析。

1 工程概況

新增防滲墻位于一期防滲帷幕軸線下游約15m處，防滲墻從溝谷向兩側山坡高處延伸，平面呈折線型，總長度近800m，設計深度12～20m，以墻底進入較堅硬的花崗巖為終止條件。根據防滲墻軸線附近鉆探資料，場區(qū)覆蓋層較薄，主要為第四系堆積素填土，下伏燕山早期黑云母花崗巖，風化帶較厚，受區(qū)域地質構造產生強烈擠壓影響，基巖碎裂-壓碎結構發(fā)育。工程區(qū)基巖為中等透水及弱透水，強風化巖體及中等風化巖體透水率均大于5Lu，根據批復意見，采用透水率小于5Lu作為相對隔水層的控制標準。灌漿帷幕采用雙排，第一排與防滲墻軸線重合并向兩岸延伸，第二排在防滲墻上游側，灌漿孔自混凝土防滲墻底以上2.0m開始分段灌漿，孔底高程與第一排灌漿孔相同。灌漿孔間排距2.0m，采用梅花形布置，帷幕灌漿伸入5.0Lu線以下5.0m。

2 墻體設計

1）防滲墻布置。防滲墻布置軸線與勘探線重合，位于一期防滲帷幕下游約12.0m處，防滲墻從溝谷向兩側山坡高處延伸，總長約700.0m，墻頂高程依據地形呈臺階式變化，防滲墻設計深度15.0～22.0m。

2）墻體厚度。該工程防滲墻深度最大為22.0m，根據工程經驗，剛性混凝土防滲墻允許水力梯度為80～100，塑性混凝土防滲墻允許水力梯度為50～60。按照墻體承擔的水頭和允許比降計算，剛性混凝土防滲墻的厚度為0.3～0.4m，塑性混凝土防滲墻厚度為0.4～0.5m?？紤]基礎巖性及鉆機性能，沖擊鉆造孔施工最小厚度一般不小于0.6m。防滲墻下部設帷幕灌漿，墻體內預埋灌漿鋼管，為保證墻體不受損傷，防滲墻的厚度不宜小于0.6m。該工程尾礦庫內水存在硫酸鹽、高錳酸鹽等具有侵蝕性鹽，若無防護措施，防滲墻體厚度不宜太薄。綜合考慮，防滲墻厚度采用0.6m。

3）墻體材料。目前防滲墻材料常用的有剛性混凝土和塑性混凝土，剛性混凝土彈性模量高、允許比降大；塑性混凝土強度低、彈性模量低、極限變形大，能與周圍地基協(xié)調變形。該工程防滲墻澆筑于彈性模量較大、變形較小的黑云母花崗巖中，就適應性來講兩種防滲材料均可。但工程地處高緯度，屬于嚴寒地區(qū)，年內最大溫差可達80℃，而防滲墻面積較大，長度較長，需進行防滲墻溫度應力計算分析，以確定墻體材料及溫度應力對墻體的影響。

4）保溫措施。工程區(qū)屬中溫帶大陸性季風氣候，經常遭受西伯利亞寒潮襲擊，冬季嚴寒，夏季較熱，氣溫-40～40℃，年平均氣溫5℃，凍土深度為2.9m。防滲墻頂部為素填土，厚度較薄，應采取抗冰凍措施對防滲墻混凝土結構進行保護。在墻體沿軸線方向上、下游兩側各5.0m范圍內，清基0.5m后，自下而上鋪設0.2m厚的XPS硬質聚氨酯保溫層、0.3m厚腐殖土并植草綠化。

3 溫度應力計算

此次使用ANSYS進行剛性混凝土防滲墻、塑性混凝土防滲墻兩種方案在外界溫度為40℃和-40℃情況下的溫度應力計算，只考慮溫度作用，自重不予考慮。

3.1 基本資料

根據混凝土防滲墻布置圖及剖面圖進行建模，材料參數見表1，根據鉆孔波速分布情況，基巖頂層2.0m范圍內巖層比較破碎，彈模調整為15000MPa，再往下8.0m巖層彈模調整為20000MPa。

表1 主要材料參數表

3.2 邊界模型

外界溫度變化一般只影響地表附近約10.0m左右的深度，這個深度以下有限深度以內的溫度值保持不變，其數值約等于外界溫度多年平均值。有限元模型溫度邊界設置為模型頂部單元溫度即外界氣溫峰值，分別為40℃與-40℃，模型頂部10.0m以下為多年平均氣溫5℃。

有限元模型位移邊界設置：模型基礎底邊視為固定邊界，墻體軸線方向按平面應變問題處理，即基礎底邊界全約束，垂直墻體軸線兩側邊界約束水平向位移（X向），沿墻體軸向兩側邊界約束墻體軸向位移（Z向）。因墻體厚度為0.6m，垂直墻體軸線方向較軸向及豎直向尺度較小，溫度應力影響較小，故此次計算主要關注墻體軸向溫度應力及垂直向溫度應力。

計算采用序貫耦合法，先采用常規(guī)熱單元進行熱分析，然后將熱單元轉換為相應的結構單元，將求得的節(jié)點溫度作為體荷載施加到模型上進行結構應力分析。單元類型選用ThermalSolid70，假設幾種材料均為各向同性材料，自由劃分網格，取模型中部7.0m槽段為樣本，計算模型見圖1。

圖1 計算模型

3.3 計算成果

1）外部溫度40℃

剛性與塑性混凝土防滲墻整體均以壓應力為主，由墻體底部向頂部壓應力逐漸增大，主應力方向與坐標軸方向基本一致，軸向壓應力較大，計算應力云圖見圖2。

圖2 外界40℃防滲墻應力云圖

2）外界溫度-40℃

剛性與塑性混凝土防滲墻整體均以拉應力為主，由墻體底部向頂部拉應力逐漸增大。主應力方向與坐標軸方向基本一致，剛性混凝土防滲墻軸向拉應力較大，計算應力云圖見圖3。

圖3 外界-40℃防滲墻應力云圖

溫度應力峰值（正值為拉，負值為壓）結果統(tǒng)計見表2。

表2 溫度應力峰值統(tǒng)計表

3.4 墻體溫度應力分析

剛性墻墻體材料為C25混凝土，軸心抗壓強度設計值為11.9MPa，軸心抗拉強度設計值為1.27MPa。剛性墻在外界溫度為40℃時墻體以壓應力為主，壓應力滿足抗壓設計標準；外界溫度為-40℃時，墻體以受拉為主，豎直向和軸向拉應力都超過了抗拉強度設計值，墻體易發(fā)生開裂。

塑性墻墻體軸心抗壓強度設計值取3.5MPa，軸心抗拉強度設計值取0.35MPa。塑性墻協(xié)調變形能力強，在外界溫度為40℃時墻體壓應力小于抗壓設計標準；外界溫度為-40℃時，墻體以受拉為主，豎直向與軸向拉應力峰值均小于墻體抗拉強度設計值。

4 結語

北方溫差較大的環(huán)境下，防滲墻在施工、運行過程中采取保溫措施十分必要。根據上述混凝土防滲墻溫度應力數值模擬計算成果可以看出，塑性墻方案優(yōu)于剛性墻方案。

受限于熱-結構耦合計算原理，為了避免結構非線性，計算過程中混凝土墻體及基巖均只能選擇線彈性材料，不同材料之間按粘結在一起處理，實際情況中在基巖與防滲墻之間會存在一薄層的泥皮，約束要比有限元計算弱，因此，實際的應力水平小于數值模擬結果。本文工程按照塑性混凝土防滲墻施工后取得了預期效果，對類似工程具有一定指導意義。