土石坝低弹模塑性混凝土防渗墙应力变形分析*

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(1.重庆市弘禹水利咨询有限公司，重庆 400074；2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，杭州 310014)

土石坝低弹模塑性混凝土防渗墙应力变形分析*

杨洋1，黄德强2

(1.重庆市弘禹水利咨询有限公司，重庆 400074；2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，杭州 310014)

本文结合福建南安坂头水库大坝防渗墙工程实例，针对低弹模塑性混凝土的特点，对修筑塑性混凝土防渗墙前后的坝体进行了渗流分析，并采用非线性邓肯—张(E—B)模型研究了大坝防渗墙在一定水位下的应力变形特性。结果表明：低弹塑性混凝土防渗墙具有良好的防渗性能；修建墙体后坝体蓄水期垂直位移分布规律与竣工期相似，水平位移有向下游的趋势，坝体蓄水期大小主应力等值线趋势基本与竣工期相似；低弹塑性混凝土防渗墙墙体拉应力随混凝土弹性模量的增大而增大，最大拉应力均位于259.00m高程左右。

土石坝；低弹模；塑性混凝土；防渗墙；非线性有限元分析

1 概 述

随着我国水利水电事业的蓬勃发展，混凝土防渗墙不断应用于各类不同的水工建筑物中，如坝体、险坝加固、坝基防渗、坝后挡土等。以往的防渗墙材料大都采用刚性混凝土(弹性模量一般在10000MPa以上)，由于刚性混凝土弹模高，在荷载作用下，极限变形能力小，墙和坝基的变形差异大，致使防渗墙与围岩的应力不一致，墙内产生应力集中现象，导致墙内产生有害裂缝，甚至有墙体被压碎的可能，使防渗墙遭到损坏。在这样的背景下国内外便开始采用一种新型防渗墙墙体材料，即塑性混凝土，它可解决以往的刚性混凝土防渗墙的缺陷。自20世纪60年代以来，伴随着施工机械化的不断发展、施工工艺的不断成熟，塑性混凝土防渗墙在国内外得到了非常广泛的应用[1-2]。与刚性混凝土相比，塑性混凝土初始弹模低，极限应变大，能适应较大变形，具有必要的强度以及抗渗性[3]，有利于改善防渗墙体的应力状态，而且它能节省水泥，降低工程造价，还能就地取材，便于施工。

但是，防渗墙的计算和设计理论还不成熟，依然存在影响防渗墙应力和变形等各方面因素，如防渗墙与周围土体间的接触面特性、防渗墙的结构形式、材料的物理力学性质以及墙端约束等，因此需要做进一步广泛而深入的研究。本文以福建省南安市英都镇坂头水库除险加固为背景，通过渗流计算、土石坝非线性有限元计算分析，探讨结构形式对防渗墙应力变形的影响，为合理选择防渗墙设计方案提供可靠依据。

2 计算模型及计算参数

2.1 工程概况与计算模型

坂头水库地处福建省南安市英都镇坂头村，位于晋江西溪支流英溪的上游，水库总库容1103万m3，其中，兴利库容934.5万m3，死库容70.5万m3，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖等综合利用功能的中型水库。大坝为土石坝，最大坝高50.30m，坝顶高程312.88m，防浪墙顶高程313.88m，顶宽5.8m，坝顶长285.0m。水库正常蓄水位310.58m。

由于坂头水库工程地质情况十分复杂，采用混凝土防渗墙方案后，针对坝体填筑土与地基覆盖层渗透性较强的情况，选取坝体填筑土和覆盖层一起采用三维有限元分析方法[4-5]进行分析。本文计算时选取坝体最大断面，计算工况为正常蓄水位。计算剖面及材料分区情况如图1所示。

计算模型网格划分大部分采用八结点六面体等参单元、少部分采用六结点五面体单元。共分为2896个节点、1404个单元，如图2所示。

图1 防渗墙典型剖面

图2 有限元网格

表1 坝体、坝基材料变形计算参数

2.2 计算参数

2.2.1 渗流计算参数

本文在有限元渗流分析[6]中，主要研究稳定渗流期施加在坝体单元上的水荷载的等效节点力。

a.计算范围。为使渗流计算准确可靠，取较大的渗流计算范围，上游边界取到距坝轴线214.6m处，下游边界取到距坝轴线195.4m处。

b.渗透系数。计算参数由委托方根据室内渗透试验提供。填筑土、防渗墙和坝基的渗透系数K分别取为1.3×10-4m/s、1×10-7m/s和1×10-5m/s。

2.2.2 坝体坝基材料参数

在坂头水库防渗墙应力变形性状数值分析中，坝体、坝基各种土石料均采用邓肯—张双曲线模型(E-B模型)应力应变关系[7-9]，模型试验参数见表1。 基岩采用线弹性本构模型，参数见表2。接触面单元模型参数见表3。计算中切线泊松比为常数。

表2 基岩的线弹性模型参数

表3 接触面模型参数

3 坝体渗流、应力及变形分析

3.1 渗流计算分析

通过计算，大坝的单宽流量为0.322cm3/(s·cm)，满足规范要求。如图3所示，水力坡降最大值为23.19。取安全系数为5，则塑性混凝土防渗墙的最大水力梯度为Jmax=JpK=23.19×5=115.95。国内外的一些试验表明：配合比合适的塑性混凝土抗机械破坏的水力梯度可超过300。因此，坂头水库防渗墙的水力梯度Jmax=115.95完全能够满足要求。从图4可以看出，在不设防渗墙的情况下，防渗墙前压力水头值最大可达50.73m；而在设防渗墙的情况下，该值最大可达51.78m。以上分析计算表明：在建造混凝土防渗墙后，浸润线在墙体后明显降低，有利于下游坝坡稳定。渗流量也大大减少，所得最大水力梯度也明显低于抗破坏水力梯度。由此可见，虽然塑性混凝土防渗墙的水泥用量大幅度减少，但仍然具有良好的抗渗性能。

图3 X向水力坡降分布

(a)不设防渗墙时 (b)设防渗墙时

3.2 坝体应力变形分析

由于该工程为除险加固工程，并且大坝主体已经竣工许多年，为了便于程序调试过程的明确化，本文计算中假设坝体浸润线以下水的上浮力作用与单元湿化变形相当，即在蓄水期仅仅考虑施加水荷载等效节点荷载。

通过对竣工期、蓄水期进行计算，得出坝体垂直、水平位移和大小主应力最大值成果，见表4和图5、图6。其中，水平位移向下游为正、垂直位移向上为正，压为正、拉为负。

(a)竣工期垂直位移 (b)蓄水期垂直位移 (c)竣工期水平位移 (d)蓄水期水平位移

(a)竣工期σ3 (b)蓄水期σ1 (c)竣工期σ3 (d)蓄水期σ3

表4 坝体计算成果

从图5可以看出，竣工期坝体均匀沉降，最大垂直位移发生在坝轴线附近1/3坝高处，符合分期加荷任意一点的变位只与其上部荷重有关且最大位移发生在坝体1/3～1/2坝高处的机理。因坝体比较对称，竣工期墙体两侧坝体向两侧的水平位移比较均匀，墙前坝体向上游的水平位移最大值为-0.6575m，墙后坝体向下游的水平位移最大值为0.6441m。竣工期坝体大小主应力分布符合随填筑高度增加而增加的规律，最大值发生在墙下游侧底部，等应力线在靠近坝面处大致与坝坡平行。

通过对比两种工况的结果发现：蓄水期垂直位移分布规律与竣工期相似，最大垂直位移较竣工期有所减小；由于上游静水压力和渗透力的影响，蓄水期坝体的水平位移有向下游的趋势；蓄水期大小主应力等值线趋势基本与竣工期相似。

3.3 墙体应力分析

采取3种弹性模量的防渗墙在蓄水运行工况下进行计算，弹性模量分别取为4000MPa、5000MPa、6000MPa。经计算，得出蓄水运行工况下墙体大小主应力沿墙体高度的分布情况，如下页图7、图8所示。计算结果见下页表5。

由计算结果可以发现：防渗墙的混凝土弹性模量越高，墙体拉应力越大，即防渗墙的应力状况越差。当弹模取4000MPa时，防渗墙最大拉应力为1.01MPa，当弹模取5000MPa和6000MPa时，最大拉应力分别为1.14MPa和1.37MPa，最大拉应力均位于259.00m高程左右。

(a)4000MPa (b)5000MPa (c)6000MPa

(a)4000MPa (b)5000MPa (c)6000MPa

表5 墙体计算成果

4 结 语

本文结合南安坂门水库除险加固的工程实例，进行了非线性有限元数值计算，并对坝体的渗流、应力和变形结果进行了分析。通过对比可以得出以下结论：

a.塑性混凝土防渗墙能使浸润线在墙体后降低，并且减少渗流量，具有良好的抗渗性能，有利于下游稳定。

b.蓄水期坝体垂直位移分布规律与竣工期相似，最大垂直位移较竣工期有所减小，坝体的水平位移有向下游的趋势，蓄水期坝体大小主应力等值线趋势基本与竣工期相似。

c.塑性防渗墙的混凝土弹性模量越高，墙体拉应力越大，3种弹性模量计算得出的最大拉应力基本位于同一个水位。

[1]Richardson D N. Drainability characteristics of granular pavement base material[J].Journal of Transportation Engineering,1997(9):6-9.

[2]Litter A L. In situ diaphragm wall for embankment dams[J].Diaphragm Wall and Anchorages ICE,1974(9).

[3]Warek R J,Bradbury C E. Geotechnical aspects of the foundations for the Harris Dam[J].International Congress on Large Dams,1991.

[4]陈慧远.土石坝有限元分析[M].南京:河海大学出版社，1998:1-68.

[5]钱家欢，殷宗泽.土工数值分析[M].北京:中国铁道出版社，1991:4-23.

[6]顾慰慈.渗流计算原理及运用[M].北京:中国建材工业出版社，2000:20-30.

[7]沈珠江.理论土力学[M].北京:中国水利水电出版社，2000:29-59.

[8]王权民，李刚，陈正汉，等.厦门砂土的动力特性研究[J].岩土力学，2005，26(10):1-6.

[9]党发宁，胡再强，谢定义.深厚覆盖层上高土石坝的动力稳定分析[J].岩石力学与工程学报, 2005，24(12)：1-6.

AnalysisofStressDeformationinLowElasticityModulePlasticityConcreteCutoffWallofEarthandRockDam

YANG Yang1，HUANG De-qiang2

(1.ChongqingHongyuWaterConservancyConsultativeCo.,Ltd.,Chongqing400074,China；2.EastChinaEngineeringInstituteofHydroChinaCorporation,Hangzhou310014,China)

Combining the project of dam cutoff wall in Fujian Nanan Bantou Reservoir, aiming at the characteristics of low elasticity module plasticity concrete, this paper makes seepage analysis to the dam in the front and back of plasticity concrete cutoff wall, and studies stress deformation characteristics of dam cutoff wall in certain water level with non-linear E—B model. The result shows that low elasticity plasticity concrete cutoff wall has good cutoff performance; vertical displacement distribution laws during sluice period after building the wall are similar as the the completion period, and horizontal displacement has the trend of going towards lower reachs, big and small stress isoline trend of the dam during sluice period is basically similar as the completion period; stretch stress of low elasticity plasticity concrete cutoff wall is increasing with the increase of concrete plasticity module, with maximum stress in the elevation of about 259.00m.

earth and rock dam; low plasticity module; plasticity concrete; cutoff wall; non-linear limited element analysis

*本研究为基金项目：福建省自然科学基金资助项目(2011J01309)

TV641

A

1673-8241(2014)09-0052-05