夏偉才，夏 曄

(1.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310000；2.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310000)

防滲墻是大壩水利工程中重要的防滲措施。防滲墻根據(jù)其彈性模量的差異可分為剛性防滲墻和塑性防滲墻兩種。其中剛性防滲墻具有剛度大抗變形能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于與壩體的協(xié)同變形方面較差。而塑性防滲墻剛度較小，但可以與大壩協(xié)調(diào)變形從而避免較大的應(yīng)力集中。陳強(qiáng)和王珂[1]基于數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了防滲墻彈性模量差異對(duì)防滲墻內(nèi)力及變形的影響。結(jié)果表明，隨著彈性模量的增大，防滲墻的最大壓應(yīng)力隨彈性模量的增大而增大，其中最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在防滲墻底部。此外，較小的彈性模量對(duì)于大壩的正常運(yùn)營比較有利，但實(shí)際工程中，防滲墻的彈性模量不得小于5MPa。馬曉華等[2]基于Adina中多孔介質(zhì)材料模型系統(tǒng)的研究了壩體土體和防滲墻模量變化對(duì)防滲墻應(yīng)力變形的影響。結(jié)果表明，當(dāng)防滲墻的彈模小于5GP時(shí)，墻體應(yīng)力隨防滲墻彈性模量的變化不敏感。反之，墻體的應(yīng)力分布較敏感。黃曉[3]采用室內(nèi)土工試驗(yàn)系統(tǒng)的研究水工防滲墻塑性混凝土強(qiáng)度影響因素。結(jié)果表明，水泥最佳摻量為160～180kg/m3，黏土的摻量應(yīng)大于65kg/m3，在滿足混凝土塑性變形性能的情況下，應(yīng)適當(dāng)減小膨潤土的摻量。王正成等[4]基于數(shù)值模擬研究了深厚覆蓋層弱透水層對(duì)防滲墻防滲效果的影響。結(jié)果表明，板封閉式的防滲墻可以有效減小壩基滲流及壩基出逸坡降。實(shí)際工程中，防滲墻和弱透水層聯(lián)合防滲能顯著提高垂直防滲墻的控滲效果。李續(xù)楠等[6]基于三維有限元法分析了紅粘土塑性混凝土防滲墻的應(yīng)力變形規(guī)律。結(jié)果表明，防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變均在合理范圍內(nèi)，大部分順河向變形協(xié)調(diào)性較好且防滲效果顯著。

本文建立數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)的研究了混凝土防滲墻彈性模量的差異對(duì)防滲墻內(nèi)力及變形的影響。研究結(jié)果可為大壩防滲墻的設(shè)計(jì)及加固提供參考。

1 工程概況與數(shù)值模型

某水庫壩體覆蓋層透水壩基高達(dá)50m。壩基覆蓋層采用混凝土防滲墻進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)防滲墻厚度為0.5m，深度為48m。壩體結(jié)構(gòu)采用黏土填筑，高度約為7.0m。設(shè)計(jì)水位為48m。模型典型剖面如圖1所示。

圖1 大壩典型剖面圖

選取典型斷面進(jìn)行建模分析。防滲墻及大壩填筑采用分層施工。模型的臨水側(cè)為水頭邊界，背水側(cè)及提及側(cè)為逸出邊界。模型四周約束水平方向的位移。底部越散3個(gè)方向的位移。加載前采用地應(yīng)力平衡進(jìn)行處理。模型網(wǎng)格采用8節(jié)點(diǎn)6單元網(wǎng)格。為了模擬防滲墻和巖土體的接觸，本文在兩者之間設(shè)置了Goodman接觸單元。最終模型的網(wǎng)格總數(shù)為32100個(gè)，節(jié)點(diǎn)單元為33258個(gè)。模型方向?yàn)榧俣ê铀飨驗(yàn)閤軸，與河水流向垂直的為y軸。防滲墻以及巖土體本構(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)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)匯總

通常防滲墻混凝土的彈性模量對(duì)墻體的內(nèi)力及變形有很大的影響。比如，彈性模量過大的剛性防滲墻雖然能有較大的剛度，但是和大壩的協(xié)調(diào)變形能力較差。而彈性模量較小的混凝土，剛度相對(duì)較小，但是變形能力較好。為了充分研究混凝土彈性模量的差異性對(duì)墻體內(nèi)力及變形的影響。本文分別計(jì)算了4種不同的混凝土彈性模量的結(jié)果。分別為28GPa和20GPa的剛性混凝土防滲墻，1.5GPa和0.5GPa的塑性混凝土防滲墻。

2 結(jié)果與分析

2.1 防滲墻變形規(guī)律

圖2匯總的到不同彈性模量混凝土防滲墻在蓄水期間的變形規(guī)律。圖2(a)結(jié)果表明，防滲墻的水平位移隨高程的增大而水平位移逐漸增大，但當(dāng)墻的高程在10m以下時(shí)，水平位移增大趨勢(shì)不明顯，當(dāng)防滲墻高程大于10m時(shí)，搶的變形速率迅速增大?？傮w來看，混凝土彈性模量對(duì)墻體的水平位移影響不顯著，最大差異僅為0.28cm。其中墻的最大水平位移發(fā)生在墻頂位置，最大值約為53mm。而墻底由于受到強(qiáng)約束作用，位移基本為零。混凝土彈性模量對(duì)墻體的水平位移影響不顯著的原因主要是由于覆蓋層變形受上覆填土荷載影響導(dǎo)致的。圖2(b)結(jié)果表明，防滲墻彈性模量對(duì)墻體的豎向變形影響比較顯著。其中，剛性防滲墻的豎向位移隨高程基本不變，且變形基本為0，而塑性混凝土墻隨高程的增大而顯著增大。墻體彈性模量越小，變形越顯著。其中彈性模量為1.5GPa時(shí)，墻體的最大位移為墻頂?shù)?0mm，彈性模量為0.5GPa時(shí)，墻體的最大位移為墻頂?shù)?7mm。

圖2 防滲墻變形規(guī)律

2.2 防滲墻內(nèi)力分析

圖3匯總得到了蓄水前后防滲墻在最大和最小主應(yīng)力分布規(guī)律。圖3(a)結(jié)果表明，蓄水前墻體最大主應(yīng)力隨高程增大而呈減小趨勢(shì)。但在高程介于0～15m范圍內(nèi)，應(yīng)力分布有所波動(dòng)。總體來看，混凝土彈性模量對(duì)墻體最大主應(yīng)力的分布規(guī)律影響不顯著。在墻頂位置出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力。其中最大壓應(yīng)力為墻底的0.5MPa，墻頂位置處最大值為-0.1MPa。

圖3 塑性防滲墻主應(yīng)力分布

圖3(b)結(jié)果表明，相同彈性模量下，蓄水前墻體最小主應(yīng)力隨高程增大而呈減小趨勢(shì)。但在高程介于0～15m范圍內(nèi)，應(yīng)力分布有所波動(dòng)。總體來看，混凝土彈性模量對(duì)墻體最小主應(yīng)力的分布規(guī)律影響較明顯。其他條件不變的情況下，墻體彈性模量越大最小主應(yīng)力越大。當(dāng)混凝土彈性模量為0.5GPa時(shí)，墻體的最小主應(yīng)力為-0.75MPa，當(dāng)混凝土彈性模量為1.5GPa時(shí)，墻體的最小主應(yīng)力為-1.0MPa，當(dāng)混凝土彈性模量為20GPa時(shí)，墻體的最小主應(yīng)力為-2.9MPa，當(dāng)混凝土彈性模量為28GPa時(shí)，墻體的最小主應(yīng)力為-3.1MPa?？梢钥吹?，防滲墻主要承受壓應(yīng)力，并且剛性墻承受的壓應(yīng)力遠(yuǎn)超塑性墻，拉應(yīng)力受墻體彈性模量的響較小。

圖3(c)蓄水后墻體最大主應(yīng)力隨高程的分布規(guī)律。結(jié)果表明，蓄水后墻體的最大主應(yīng)力變化規(guī)律性較差。其中最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力在墻底與基巖交界面出現(xiàn)突變。最大主應(yīng)力出現(xiàn)在墻體與基巖交界位置處，最大值為混凝土彈性模量為28GPa的4.5MPa，當(dāng)混凝土彈性模量為20GPa的3MPa。

圖3(d)蓄水后墻體最小主應(yīng)力隨高程的分布規(guī)律。結(jié)果表明，蓄水后墻體的最小主應(yīng)力變化規(guī)律性較差。其中最小主應(yīng)力在墻底與基巖交界面出現(xiàn)突變。最小主應(yīng)力出現(xiàn)在墻體與基巖交界位置處，最大值為混凝土彈性模量為28GPa的-6.5MPa，當(dāng)混凝土彈性模量為20GPa的5.0MPa。顯然，蓄水后當(dāng)彈性模量大于20GPa時(shí)，拉應(yīng)力出現(xiàn)了大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度的情況，存在一定的危險(xiǎn)性。

綜合以上分析，防滲墻在受力后類似于懸臂墻，墻體的最大拉壓應(yīng)力在混凝土彈性模量較小時(shí)，隨模量增大而增大；但對(duì)于剛性墻而言，剛性墻應(yīng)力受彈性模量影響顯著，應(yīng)力值遠(yuǎn)超塑性墻。此外，蓄水后基巖與墻體交界面出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，對(duì)墻體的穩(wěn)定性是不利的。因此，混凝土彈模越大，墻體應(yīng)力越大。實(shí)際工程中，防滲墻的彈性模量應(yīng)盡量的與覆蓋層的彈性模量接近，兩者有較好的協(xié)調(diào)變形能力[6]。

3 結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬的方法研究了不同工況下混凝土防滲墻內(nèi)力及變形。分析了防滲墻彈性模量對(duì)墻體的內(nèi)力及變形影響，得到如下結(jié)論：

(1)混凝土彈性模量對(duì)墻體的水平位移影響不顯著。防滲墻的最大水平位移發(fā)生在墻頂位置，最大值約為53mm；防滲墻彈性模量對(duì)墻體的豎向變形影響比較顯著。

(2)防滲墻的豎向位移隨高程的增大而增大。墻體彈性模量越小，變形越顯著。其中彈性模量為1.5GPa時(shí)，墻頂?shù)淖畲笪灰茷?0mm，彈性模量為0.5GPa時(shí)，墻頂?shù)淖畲笪灰茷?7mm。

(3)墻體的最大拉壓應(yīng)力在混凝土彈性模量較小時(shí)，隨模量增大而增大。實(shí)際工程中，適當(dāng)增大防滲墻的彈性模量，提高與壩體變形協(xié)調(diào)能力。