堆石坝中复合土工膜的应力变形分析

黄 举

（丹东市鸭绿江防洪护岸工程建设管理局，辽宁 丹东 118000）

堆石坝中复合土工膜的应力变形分析

黄 举

（丹东市鸭绿江防洪护岸工程建设管理局，辽宁 丹东 118000）

传统堆石坝在修筑完成运行后极易出现滑裂、漏水、沉陷等现象，缩短了坝体的服务期限。复合土工膜具有施工简易，适应变形能力强等优势，本文通过MIDAS软件，以太平哨电站坝体为研究对象，对坝体正常蓄水期进行了模拟分析，结果表明，复合土工膜在对坝体起到良好的防渗作用的同时还较为显著的改善了坝体的应力变形，提升了坝体的稳定性。

复合土工膜；堆石坝；MIDAS软件

堆石坝的筑坝材料以卵石、石渣、石料等为主，堆石坝施工简易、周期短、成本低，能适应各种复杂地形。复合土工膜心墙堆石坝是一种内部采用复合土工膜作为防渗材料，以堆石体作为支承体的坝体结构，防渗基材为塑料薄膜，具有防渗体施工简易，适应变形能力强等优势，最大程度上避免了传统堆石坝极易出现的滑裂、漏水、沉陷现象［1］。鉴于复合土工膜心墙堆石坝具有非常多的优点，已经成为在水利工程建设领域的应用较多的坝型。由于复合土工膜心墙堆石坝是一种非均质、非线性的散粒体空间复合结构，其本构模型选取比较困难， 力学分析也较为困难［2］。

1 工程概况

太平哨电站位于辽宁省宽甸县，是浑江干流上第三个梯级电站，水电站设计为引水式水电站，总装机容量为16.1万千瓦时。该水电站水库是一座山谷型水库，设计水头36.2m，水库总库容为2亿立方米，正常蓄水位 890米。拦河坝为砼重力坝；坝长556m，坝顶高程895m，坝顶宽6m，坝高18.5m，上下游坝坡比均为1∶1.8。采用混凝土防渗墙结构作为土石坝防渗墙基础，复合土工膜心墙坝作为堆石坝防渗墙基础，下图1为坝体断面。

2 复合土工膜机理

图1 坝体断面示意图

复合土工膜的基材是塑料膜，运用最普遍的塑料膜原料是聚乙烯塑料膜中的吹塑膜，吹塑膜首先由线性低密度聚乙烯与低密度聚乙烯共混挤出，之后通过红外线辐射热复合处理［2］。线性低密度聚乙烯平均分子质量相对较大，其大分子链结构属于短支链结构，具有较高的拉伸强度、耐开裂性、耐冲击性等性能。基布作为复合土工膜的主要材料，其影响着复合土工膜的拉伸性能、抗渗性能，基布表面平整度越好，其耐静水压值越高，基布纤维越粗， 越易渗水［3］。

复合土工膜具有良好的抗拉强度以及延伸率，能够适应坝体变形，承受库体内水压。借助塑料薄膜的不透水性有效的阻断了土坝的漏水通道［4］。堆石坝施工时，复合土工膜铺设与坝体填筑同步进行，坝体中央的复合土工膜通常要承受两个变形影响，一是坝体水平位移引起的变形，二是坝体填筑沉降引起的变形。由于复合土工膜具有较高的伸长率，能承受由坝体引起的水平拉伸变形和竖向剪切变形［5］。

3 MIDAS软件与材料参数

3.1 MIDAS有限元软件

由于复合土工膜心墙堆石坝的复合结构具有非均质、非线性，本构模型建立困难。国外直到上世纪六十年代末才逐步采用有限单元法对坝体应力变形作相关分析［6］。MIDAS有限元软件是由韩国浦项制铁下属的软件公司开发的岩土分析软件，MIDAS有限元软件运算快、可视化、具备出色的土石坝设计与分析能力，可以进行非线性弹（塑）性分析、非稳定渗流分析、施工阶段分析、渗流-应力耦合分析、固结分析、 地震、动力分析等［7-9］。 本文主要借助MIDAS软件建立三维模型，分析堆石坝的应力变形规律，及坝体在复合土工膜铺设后的变化。

3.2 材料参数

堆石坝坝体填筑料主要通过天然砂砾石料筛选而得，其内针片状颗粒含量≦12%，颗粒粒径不大于0.1m的占比≧6%。垫层中岩石抗压强度≧45Mpa，软化系数≧0.70，粒径≤33mm，粒径≦5mm颗粒的含量5%～50%，≦0.08mm颗粒含量为0～1%，表1为复合土工膜指标。根据堆石坝坝体断面设计坝体按材料分区分别为：堆石区、过渡区、垫层和反滤层，参数见下表2～表3。

表1 复合土工膜指标

表2 非线性材料参数

表3 弹性材料参数

4 有限元计算模型

建立三维有限元模型如图2所示，X轴沿水流方向设置，Y轴沿着坝轴线设置，Z轴沿竖直方向设置。模型两侧固定 X和Y方向的位移为零，模型最底端 X、Y、Z三个方向的均固定位移为零，其余面方向上均设置为自由位移［10］。坝体模型模拟结构的单元尺寸为800mm，复合土工膜土工栅格单元数为7080个，单元总数共计有191985个，复合土工膜土工栅格单元如图3。

5 坝体有限元模拟及分析

分别对坝体大主应力、小主应力、横向位移、竖向位移进行模拟分析。

图2 坝体三维有限元模型

图3 复合土工膜土工栅格单元

图4 蓄水时坝体模拟云图

5.1 正常蓄水期坝体数值模拟

由图4（a）、（b）大、小主应力云图可知：坝体蓄水后，在坝内水压作用下，坝体大主应力为拉压应力并存，坝体受压出现在蓄水位以下最大压应力为0.002MPa，坝体最大拉应力为0.003MPa；上游坝坡底出现最小压应力值为0.018MPa。

在库体内水压作用下，坝体的变形最开始以沉降变形为主，之后逐渐转为水平移动为主。由图4（c）、（d）可知：正常蓄水位以下，坝体有向下游移动的状况，最大位移量出现在蓄水位之下距离坝底⅟³的区域，值约1.8mm。蓄水位以上坝体向上游一侧移动，上游坝顶部位出现最大值约1.2mm；上游坝面竖向位移最大值约为2.2mm。

5.2 正常蓄水期复合土工膜数值模拟

由图5正常蓄水期复合土工膜大小主应力云图（a）、（b）可知：在蓄水位以下复合土工膜的大主应力呈受压状态在复合土工膜底端出现最大压应力值，约为0.005MPa。蓄水位水位以上呈受拉状态，在复合土工膜顶端出现最大拉应力约为0.006MPa。小主应力皆表现为受压状态，在复合土工膜的底端出现最大值约为0.02MPa。

由图5（c）、（d）可知：在蓄水位以下，库容水压力作用下复合土工膜底部1/3区域内，复合土工膜向坝体下游一侧移动，最大位移量约为0.55mm。蓄水位以上复合土工膜向上游移动，复合土工膜的顶端部出现最大值位移量，约为3.2mm；复合土工膜顶端与两岸山体接触的部位出现最大竖向位移量约为6.5mm。

5.3 无膜时坝体数值模拟

为了研究复合土工膜对坝体所产生的影响，在正常蓄水期内对无膜情况下依次对坝体的大主应力、小主应力、水平位移、竖向位移进行数值模拟。

由图6（a）、（b）可知：坝体在正常蓄水后大、小主应力分布呈非对称状态，大主应力水位以下表现为受压状态，坝体水位以上呈现受拉状态分布，最大压应力约0.02MPa，最大拉应力约0.015MPa；小主应力在上游坝坡底部显现， 其最大值约0.15MPa。

图5 蓄水时复合土工膜模拟云图

图6 无膜时坝体模拟云图

由图6（c）、（d）可知：上游坝体在蓄水位以下向下游一侧运动，水位以下相距坝底1/3的区域内出现最大位移量，约为12.5mm。下游坝体以及蓄水位之上区域皆为向上游运动，上游坝顶部位出现最大值约为4.6mm。在上游坝面水压力作用面上出现竖向位移最大值约为10.8mm。

6 小结

在最初受力阶段，复合土工膜及坝体呈现受压状态，之后在水压力作用下出现了拉应力，复合土工膜在与坝体连接的位置呈现出应力集中现象；变形最初为整体沉降，之后发展为局部水平移动。无模时，坝体在蓄水后大、小主应力呈非对称分布，有模时，最大压应力、最大拉应力、最大位移量皆变小，跟无膜相比，复合土工膜在对坝体起到良好的防渗作用的同时还较为显著的改善了坝体的应力变形，提升了坝体的稳定性。

［1］丁东彦.复合土工膜心墙堆石坝应力变形分析［D］.兰州交通大学，2014.

［2］姚天宝，丁冬彦，任建民.地震作用下复合土工膜心墙堆石坝应力变形分析［J］.南水北调与水利科技，2015（01）：127-131 +144.

［3］王党在.复合土工膜防渗体在高土石坝中的应用研究［D］.西安理工大学，2005.

［4］林淀翔.土工膜心墙土石坝设计与施工中若干问题的研究［D］.大连理工大学，2002.

［5］姜海波.复合土工膜心墙与斜墙高土石坝应力应变研究［J］.水利技术监督，2014（01）：53-57+76.

［6］周奕琦，沈振中，王伟，马秀伟，彭迪.复合土工膜库盆防渗上水库应力变形性态分析［J］.水利技术监督，2014（02）：160-163+174.

［7］岑威钧，沈长松，童建文.复合土工膜防渗堆石坝力学特性有限元分析［J］.江水电能源科学，2008（05）：110-112+165.

［8］吴俊杰，凤炜，刘亮，曹文洁.全库盘防渗复合土工膜应力应变分析［J］.水利规划与设计，2013（12）：66-69.

［9］岑威钧，沈长松，童建文.深厚覆盖层上复合土工膜防渗堆石坝筑坝特性研究［J］.岩土力学，2009（01）：175-180.

［10］顾淦臣，沈长松，朱晟，喻建清.塘房庙复合土工膜心墙堆石坝的设计、施工和应力应变有限元分析［J］.水力发电学报，2004（01）：21-26.

水利部正式批复南盘江、北盘江流域综合规划

近日，水利部分别以水规计［2017］40、41号文批复了《北盘江流域综合规划》及《南盘江流域综合规划》。这是水利部依据国务院关于流域综合规划审批授权，在全国率先批复的两条跨省（自治区）河流综合规划。其中，南盘江是珠江流域西江水系主源，发源于云南省沾益县马雄山麓，跨滇、黔、桂三省（自治区），流域面积56880平方公里；北盘江是西江水系的一级支流，跨滇、黔两省，至贵州省双江口与南盘江交汇，流域面积26569平方公里。

《规划》水平年为 2030年。水利部在批复中明确提出，《规划》实施要全面贯彻党的十八大和十八届三中、四中、五中、六中全会精神，深入贯彻习近平总书记系列重要讲话精神，牢固树立创新、协调、绿色、开放、共享发展理念，按照“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期水利工作方针，以增强流域水安全保障能力为目标，落实最严格水资源管理制度，全面建设节水型社会，实施水资源消耗总量和强度双控行动，着力完善水利基础设施网络，加强流域水资源统一管理和调度，统筹推进流域防洪抗旱减灾、城乡供水、水资源综合利用、水土流失与石漠化治理、水资源和水生态环境保护修复等工作，确保防洪安全、供水安全、粮食安全和生态安全，为实现流域经济社会可持续发展和生态文明建设提供水利支撑和保障。

依据《中华人民共和国水法》，《规划》是南盘江、北盘江流域开发、利用、节约、保护水资源和防治水害的重要依据。根据水利部要求，珠江委将与流域内各省（自治区）人民政府及有关部门密切配合，精心组织，落实《规划》提出的各项任务措施，加强与相关规划实施工作的有机衔接，涉及的建设项目按规定程序报批；密切跟踪监测和评估规划实施情况。

来源：摘自紫光阁网站

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1672-2469（2017）02-0115-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.036

2016-11-24

黄 举（1981年—），男，工程师。