覆盖层内防渗墙应力变形影响因素敏感性分析

吕高峰，朱锦杰，王玉洁

(国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州　310014)



覆盖层内防渗墙应力变形影响因素敏感性分析

吕高峰，朱锦杰，王玉洁

(国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州310014)

摘要：防渗墙是处理深覆盖层最为重要的手段.以西南丹巴工程为例，通过建立有限元网格，对防渗墙厚度、接头型式和材料参数等因素进行了敏感性分析.结论表明：防渗墙墙体越厚，大主应力值越小；空接头能减小接头附近的大主应力；同时防渗墙弹模的降低能够有效地减小防渗墙大主应力；且覆盖层材料越好，对防渗墙变形的约束作用越强，防渗墙变形就越小，大主应力也相应越小.

关键词：覆盖层；防渗墙；应力；变形

0引言

西南地区是我国现阶段和今后一个时期内水电开发的主要区域.西南地区河床普遍沉积有深厚覆盖层，覆盖层防渗常采用防渗墙措施.防渗墙因具有适应地基能力强，施工简单方便，防渗性能优越、经济性高和使用寿命长等优点，成为覆盖层处理的主要手段.防渗墙的应力变形对防渗体系具有重要影响，准确合理地模拟防渗墙应力变形对防渗墙的设计、施工和运行具有重要意义.

图1所示，防渗墙除受自身重力以外，主要的受力来自四个方面：(1)防渗墙上部水工建筑物的压力；(2)覆盖层与防渗墙沉降不协调产生的摩擦力和覆盖层的挤压力；(3)上下游的水压力；(4)基岩的顶托约束力(嵌入基岩的防渗墙).

图1　防渗墙受力示意图

防渗墙应力变形影响的主要因素有如下几点：(1)结构形态，包括防渗墙的厚度和接头型式，防渗墙的厚度一般在0.5～1.5 m之间，常用的接头型式有空接头和刚性接头.(2)材料性质，包括防渗墙自身的材料参数和覆盖层的材料参数.

1计算理论

在深厚覆盖层上建坝，覆盖层中的渗流特性和物理力学特性在建坝和运行过程中两者之间相互影响，处于长期变化中，所以有必要考虑渗流场和应力场的耦合.

渗流场对应力场的影响通过渗透压力和渗流体积力.根据已知的在某时刻覆盖层内渗流场水头分布函数h(x,y,z)，式(1)就可以求出作用面上的渗透水压力u.

u=γw(h-z)

(1)

式中，γw是水的容重.

根据渗透水压力,经式(2)就可以进一步计算得出覆盖层和坝体所受的渗流体积力f的分布.

(2)

式中：fx、fy、fz分别是渗流体积力f在x、y、z方向上的分力.

应力场对渗流场的影响通过土体孔隙率的改变以达到改变渗透系数.计算公式采用A. RIVERRA等人得出的经典的孔隙率与渗透系数之间的函数关系式(3).

(3)

式中：n0—覆盖层的初始孔隙率；

εν—覆盖层的体积应变；

k′和k—分别对应着覆盖层孔隙率是n0、n的渗透系数.

2计算模型与方案

2.1计算模型

本文以西南丹巴工程为例，选取闸坝段典型坝段建立有限元模型.闸坝坝高为43 m，闸底板长60 m.闸底板下游设海漫，上游设盖板与防渗墙相接，选用封闭式防渗墙.覆盖层深度为120 m，覆盖层由五层材料组成，最上面一层材料在修建坝体的时候被挖除，覆盖层下面是基岩.为提高覆盖层的承载能力，减小闸底板的不均匀沉降，对闸室区域下倒梯形区域进行开挖回填，并进行固结灌浆.固结灌浆下区域进行旋喷桩处理.图2为闸坝典型断面.

图2　西南丹巴工程闸坝典型剖面

建模区域在顺河向总长620 m，包括坝轴线上240 m到坝轴线下380 m；在高程上包括坝顶高程1 999.5 m到基岩底处1 760高程.闸底板内和连接板之间设置缝单元.单元总数为2 152，节点总数为4 472，网格典型剖面(见图3).

图3　西南某工程闸坝有限元网格

覆盖层土石材料和倒梯形的固结灌浆区材料均采用邓肯张E—B非线性模型，计算参数见表1.闸室、闸底板、防渗墙等混凝土结构采用线弹性模型，混凝土材料的弹性模量是28 GPa，泊松比为0.167，覆盖层下的基岩材料弹性模量是16 GPa，泊松比为0.2.闸底板与覆盖层之间和防渗墙与覆盖层之间因材料参数差异较大，设置Goodman无厚度接触面单元，接触面单元参数选取根据类似工程经验，以瀑布沟心墙堆石坝中的接触面参数较为经典，取为：K1=2 500；n=0.66，Rf=0.74，δ=35°.

表1　覆盖层和固结灌浆计算参数

2.2计算方案

先运用试验参数和空接头型式分别计算不同防渗墙厚度下的应力与变形；然后在试验参数条件下，选取防渗墙厚度为1 m，分别进行空接头和刚性接头两种接头型式的计算；再在空接头和防渗墙厚度为1 m条件下，进行材料参数和覆盖层材料参数敏感性分析.计算方案(见表2).

表2　计算方案

2.3计算模拟

本次计算将覆盖层作为坝体进行填筑，填筑到覆盖层表面得到的应力作为覆盖层的初始应力场，在这个基础上进行坝体填筑和蓄水模拟.混凝土渗透系数很低，直接作为面力边界，覆盖层作为水力边界.

3计算结果与分析

3.1结构型式的影响

防渗墙厚度主要是根据防渗墙的材料、抗渗性能、耐久性能、应力变形要求、覆盖层条件、施工条件和工程当地的水质等确定.防渗墙厚度一般在0.6～1.4 m之间，计算考虑的防渗墙厚度分别为0.6 m、1.0 m和1.4 m.

图4为防渗墙厚度分别为0.6 m、1 m和1.4 m时蓄水期大主应力和水平位移沿高程的分布图.从图中可知，蓄水期防渗墙大主应力整体沿高程减小而增大，嵌入基岩部分又有一定的减小，且存在明显的突变.大主应力突变主要因覆盖层材料性质在高程方向明显变化，且受有限元二维模拟自身存在的缺陷影响.防渗墙二维模拟是将防渗墙作为悬臂梁进行模拟，而河谷覆盖层内的防渗墙实际是一个三维结构，二维模拟简化了横河向各槽段之间及与基岩的约束作用.防渗墙大主应力值随防渗墙厚度的增大而减小.在同种环境下，增大防渗墙厚度能够有效减小防渗墙的大主应力.如果继续增加防渗墙的厚度可以发现，增大防渗墙厚度对减小大主应力的能力逐步减小.

蓄水期防渗墙水平沿高程增大而增大，防渗墙厚度从0.6～1.4 m之间变化对防渗墙变形影响很小.

闸坝中防渗墙与坝体的接头型式主要有刚性接头(硬接头)和空接头两种型式.刚性接头，即混凝土防渗墙与盖板采用刚性连接；空接头，即在混凝土防渗墙顶部与盖板之间留有足够大的空间，保证混凝土防渗墙与盖板在坝体填筑期间不接触.

图4　不同厚度防渗墙蓄水期大主应力和水平位移

图5为不同接头型式(刚性接头和空接头)下防渗墙在蓄水期大主应力和水平位移沿高程分布图.据图可知，不同接头型式下，防渗墙大主应力差别较小，影响的位置主要在防渗墙顶部靠近接头位置附近.但采用空接头的连接方式对靠近接头处的大主应力有一定的减小.相对于刚性接头，空接头给防渗墙在接头部位一定的活动空间，顶部受到的约束较小，缓解了防渗墙顶部处的大主应力.不同接头型式对防渗墙水平位移影响很小.

图5　不同接头型式防渗墙蓄水期大主应力和水平位移

3.2材料参数的影响

混凝土防渗墙材料参数对防渗墙应力变形影响很大.计算中，混凝土材料采用线弹性模型，弹模和泊松比的大小直接影响防渗墙的应力与变形.不同计算方案下防渗墙材料参数如下表：

表3　混凝土弹性模量与泊松比

图6　混凝土弹模变化下防渗墙蓄水期大主应力

图6为防渗墙不同弹模下在蓄水期的大主应力.从图中可知，防渗墙弹模的降低能够有效地减小防渗墙大主应力，相对于接头型式影响范围在局部，降低弹模能够整体减小大主应力.混凝土弹模高，墙内应力也高，但变化不显著.覆盖层(例如土)与混凝土之间的弹模差别会影响它们之间的荷载分配比例.混凝土弹模高，承担的荷载大，应力自然高.防渗墙与覆盖层弹模相差很多数量级，弹模近30倍的变化不能显著改变覆盖层与混凝土之间的软硬程度的差别.图7防渗墙在不同弹模下蓄水期的水平位移.从图中可以看出，防渗墙在各个模量下变形差异都很小，只在最大位移处有一定的影响，主要因为水平位移主要受覆盖层的性质影响.

覆盖层是直接与防渗墙接触的材料，覆盖层与防渗墙的接触摩擦力是防渗墙受力的主要来源，覆盖层材料的性质对防渗墙应力变形影响很大.将全部覆盖层材料分别设为覆盖层的四类材料，方案一将所有覆盖层材料参数改为第一层覆盖层的材料参数，依此类推方案二、方案三和方案四.

如图8是方案一、方案二和方案五蓄水期的大主应力.覆盖层材料强度从大到小依次是第四层、第二层、第一层和第三层，方案一到方案四的竣工期的大主应力从小到大依次是方案四、方案二、方案一和方案三说明随着覆盖层材料强度的增大防渗墙大主应力减小.

图7　混凝土弹模变化下防渗墙蓄水期水平位移

表4是方案一到方案四蓄水期水平位移的最大值，方案三的水平位移明显大于另外三个方案，说明覆盖层材料材料越好，抗变形能力越强，对防渗墙变形的约束作用越强，防渗墙变形越小.

图8　不同覆盖层材料下蓄水期防渗墙大主应力

方案一二三四水平位移最大值/cm13.658.4465.408.24

4结语

本文概况了防渗墙受力特点和应力变形影响的主要因素.对防渗墙应力变形影响较大的防渗墙结构(厚度和接头型式)和材料参数(防渗墙材料参数和覆盖层材料参数)等因素，进行敏感性分析.结论表明：防渗墙墙体越厚，大主应力值越小；空接头能减小接头附近的大主应力；墙体厚度变化和接头型式变化对防渗墙变形影响很小；防渗墙弹模的降低能够有效地减小防渗墙大主应力，但对于普通混凝土，弹模降低会导致混凝土强度降低，鉴于该工程防渗墙大主应力较大，建议采用C30混凝土或考虑低弹模高强度混凝土；覆盖层材料越好，对防渗墙变形的约束作用越强，防渗墙变形越小，大主应力越小.

参考文献：

[1]殷宗泽.土工原理[M].北京：中国水利水电出版社,2007.

[2]刘斯宏,王柳江.深厚覆盖层上心墙堆石坝防渗墙应力变形特性及其影响因素分析[C]//水电水利规划设计总院. 土石坝技术,北京:中国电力出版社,2009：217-226.

[3]殷宗泽,李宏.三峡二期围堰混凝土防渗墙的受力分析[J].河海大学学报,1987,15(1):51-57.

[4]郦能惠,孙大伟,米占宽.深厚覆盖层上面板堆石坝的圆弧形防渗墙[J].岩土力学,2006,27(10):1653-1657.

[5]陈剑,卢廷浩.结构型式及接触面参数对防渗墙应力变形的影响分析[J].水利水电技术,2003(11):33-36.

[6]顾唯星.深厚覆盖层心墙堆石坝应力场与渗流场耦合计算分析[D].江苏:河海大学,2011.

[7]田景元,王平,刘汉龙,等.毛尔盖心墙堆石坝防渗墙与坝体防渗体连接形式[J].四川水利水电科技进展,2010,30(4):40-45.

[8]柴军瑞,仵彦卿.均质土坝渗流场与应力场耦合分析的数学模型[J].陕西水力发电,1997,13(3):4-7.

[9]陈益峰，胡冉，周嵩.高堆石坝水力耦合模型及工程应用[J].岩土工程学报,2011,33(9):1340-1347.

[10]吕高峰,王柳江,严俊.流固耦合对深厚覆盖层内防渗墙应力变形的影响[J].水力发电,2012,38(12):22-24,30.

[11]吕高峰,金远征,朱锦杰.不同施工顺序对深覆盖层坝基折线型防渗墙应力变形的影响[J].水电能源科学,2014,32(9):86-89.

Sensitivity Analysis about Influencing Factors on Stress-deformation of Cutoff Wall in Deep Overburden

LV Gao-feng, ZHU Jin-jie, WANG Yu-jie

(Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration, Hanghou 310014, China)

Abstract:Cutoff wall is the most important treatment for deep overburden. Based on Badan Project in southwest China, by establishing the finite element mesh, the sensitivity analysis on cutoff wall thickness, type of joint and material parameter is carried out. The conclusion shows: (1)The thicker cutoff wall is, the smaller stress value will be; (2)Empty joint can reduce the stress value of cutoff wall near the joint; (3)Reducing elastic modulus of cutoff wall can effectively reduce stress value; (4)The better overburden material is, the stronger constraints will be on deformation of cutoff wall, therefore, the deformation and stress of cutoff wall is smaller.

Key words:overburden; cutoff wall; stress; deformation

中图分类号：TV551.3

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)02-0046-06

作者简介：吕高峰(1987- )，男，浙江临安人，工程师，硕士，主要从事大坝安全监测和土石坝及岩土工程数值计算工作.

收稿日期：2015-09-12