白生貴

（吐魯番市清源水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 吐魯番 838000）

1 引言

據(jù)調(diào)查，滲流相關(guān)的研究主要集中于大壩防滲穩(wěn)定性方面。胡福洪等基于正交試驗(yàn)方法研究了塑性混凝土材料性能。結(jié)果表明，粉煤灰的摻入對(duì)混凝土的抗?jié)B強(qiáng)度無(wú)積極影響，但可以降低混凝土防滲墻的成本。當(dāng)膨潤(rùn)土摻量為20 kg/m3時(shí)，混凝土防滲墻的抗壓強(qiáng)度達(dá)20.90 MPa，抗?jié)B強(qiáng)度達(dá)到0.90 MPa。王春光基于數(shù)值模擬研究了塑性混凝土防滲墻彈性模量對(duì)防滲性能的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)增大水膠比和砂率以及減小水泥用量，同時(shí)增加膨潤(rùn)土的用量可以較好地控制防滲墻的塑性變形。劉鋼等基于室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)研究了復(fù)摻膠粉、硅粉、粉煤灰防滲墻塑性混凝土力學(xué)性能。結(jié)果表明，膠粉和粉煤灰對(duì)塑性混凝土的抗?jié)B性起到負(fù)面作用，而硅粉對(duì)混凝土的抗?jié)B性起到積極影響。

建立數(shù)值計(jì)算模型，研究水位波動(dòng)下混凝土防滲墻內(nèi)力及變形規(guī)律，可為大壩防滲墻的設(shè)計(jì)及加固工程提供參考。

2 工程概況與數(shù)值模型

壩體為典型土石壩加固工程，其中舊壩體與覆蓋層采用塑性混凝土防滲墻處理。壩頂高程、壩高及壩頂寬分別為1 137、36.80 和6 m。防滲墻厚0.80 m，深度約60 m，由上到下分別出露巖層為覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化基巖。壩體為黏性土，防滲墻布置在壩軸線上游1.80 m處，嵌固段深度約5.00 m。見(jiàn)圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

根據(jù)大壩典型剖面，建立數(shù)值計(jì)算模型。為了模擬防滲墻和巖土體的接觸，在兩者之間設(shè)置了Goodman接觸單元。最終模型網(wǎng)格總數(shù)32 100個(gè)，節(jié)點(diǎn)單元33 258個(gè)。假定河水流向?yàn)閄軸，與河水流向垂直為Y軸。數(shù)值模型網(wǎng)格劃分均采用四邊形單元。防滲墻及巖土體本構(gòu)為鄧肯-張模型?？紤]灌漿帷幕與排水棱體接觸面積較小，因此建模和計(jì)算中忽略了該部分。計(jì)算模型中材料參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)匯總表

3 結(jié)果與分析

3.1 防滲墻變形規(guī)律

圖2 為蓄水前后防滲墻的水平和豎向位移。防滲墻在蓄水前后產(chǎn)生的位移變化規(guī)律基本相同，水平位移表現(xiàn)出向下游傾斜的趨勢(shì)。圖2（a）表明，蓄水后的大壩水平位移大于蓄水前，且最大位移均出現(xiàn)在墻頂位置。蓄水前后防滲墻的水平位移均隨高程的變化而增大，蓄水前墻頂最大位移110 mm，蓄水后220 mm。圖2（b）結(jié)果表明，蓄水前后，防滲墻的豎向位移基本保持相同，且兩者均隨高程增大而增大，最大豎向位移260 mm。綜合來(lái)看，蓄水對(duì)墻體垂直變形影響較小。

圖2 塑性防滲墻變形

3.2 防滲墻內(nèi)力分析

圖3 為蓄水前后防滲墻在上游面和下游面的最大主應(yīng)力分布規(guī)律。在蓄水前，上游面和下游面最大主應(yīng)力的變化規(guī)律基本相同。其中，上游面和下游面最大主應(yīng)力隨高程的增大而先增大后減小。上游面墻底處最大主應(yīng)力基本為0，墻頂處的最大主應(yīng)力為1 150 kPa，下游面墻底處最大主應(yīng)力基本為0，墻頂處的最大主應(yīng)力為1 250 kPa。蓄水后上游面和下游面最大主應(yīng)力隨高程的變化無(wú)明顯規(guī)律。上游面墻底處最大主應(yīng)力基本800 kPa，而墻頂處最大主應(yīng)力1 250 kPa，下游面墻底處最大主應(yīng)力基本1 180 kPa，墻頂處最大主應(yīng)力1 150 kPa。

圖3 塑性防滲墻最大主應(yīng)力分布圖

分析蓄水前后防滲墻在上游面和下游面的最小主應(yīng)力分布情況，在蓄水前上游面和下游面最小主應(yīng)力的變化規(guī)律基本相同。上游面和下游面最小主應(yīng)力隨高程的增大基本保持不變。但在墻體和覆蓋層接觸的地方，由于應(yīng)力集中導(dǎo)致主應(yīng)力出現(xiàn)較大的增長(zhǎng)。其中蓄水前上游面在交界面位置最小主應(yīng)力值為400 kPa，而蓄水后下游面在交界面位置處的最小主應(yīng)力值為650 kPa。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是蓄水后墻體在中下部上游面出現(xiàn)了較大水壓力。在水壓力的作用下，圍壓提高，導(dǎo)致最小主應(yīng)力增大。

分析蓄水前后防滲墻在上游面和下游面豎向應(yīng)力分布情況，在蓄水前上游面和下游面豎向應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。上游面和下游面豎向應(yīng)力隨高程增大而先增大后減小。上游面墻底處豎向應(yīng)力1 200 kPa，墻頂處豎向應(yīng)力1 150 kPa，下游面墻底處豎向應(yīng)力1 100 kPa，墻頂處豎向應(yīng)力1 200 kPa。蓄水后上游面和下游面豎向應(yīng)力隨高程變化無(wú)明顯規(guī)律。上游面墻底處豎向應(yīng)力1 150 kPa，墻頂處豎向應(yīng)力1 100 kPa，下游面墻底處豎向應(yīng)力920 kPa，墻頂處豎向應(yīng)力1 260 kPa。

3.3 塑性混凝土模量變化對(duì)墻體的影響分析

表2 為不同模量下混凝土材料對(duì)防滲墻內(nèi)力及變形的影響。由表可知，在彈性模量分別等于3×103Pa、5×103Pa和8.5×103Pa的工況下，隨彈性模量增大，墻體變形逐漸減小，墻體最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均有增大趨勢(shì)。當(dāng)彈性模量為8×103Pa 時(shí)，墻體下游出現(xiàn)拉應(yīng)力，對(duì)防滲墻的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。綜合來(lái)看，當(dāng)混凝土彈性模量增大時(shí)，模量對(duì)防滲墻的受力狀態(tài)影響不明顯，防滲墻的剛度隨混凝土模量降低而減??；當(dāng)混凝土模量增大時(shí)，由于防滲墻的剛度提高，防滲墻局部出現(xiàn)受拉區(qū)。對(duì)于防滲墻混凝土剛度的選取要綜合考慮研究區(qū)工程地質(zhì)條件以及壩體選型等多種因素。

表2 塑性混凝土模量對(duì)墻體內(nèi)力影響表

4 結(jié)語(yǔ)

①防滲墻在蓄水前后產(chǎn)生的位移變化規(guī)律基本相同。②防滲墻在蓄水前后均處于受壓狀態(tài)，不同部位最大應(yīng)力不超過(guò)2.50 MPa是安全的。③隨彈性模量的增大，墻體變形逐漸減小。