材料模量对封闭式防渗墙负摩阻力的影响

刘 娜，何文安，温 泳，闫兆杰

(1.长春工程学院土木工程学院,长春 130012； 2.吉林省电力勘察设计院，长春 130012)

材料模量对封闭式防渗墙负摩阻力的影响

刘 娜1，何文安2，温 泳1，闫兆杰1

(1.长春工程学院土木工程学院,长春 130012； 2.吉林省电力勘察设计院，长春 130012)

为了研究材料模量对封闭式防渗墙负摩阻力的影响，以某黏土心墙堆石坝为背景，建立了有限元模型，坝体材料及覆盖层采用邓肯—张Et-μt模型，防渗墙与覆盖层之间的接触关键采用无厚度接触面模拟，进行了非线性有限元分析。计算结果表明：封闭式防渗墙上的负摩阻力的分布受材料刚度的影响较大，中性点位置随着防渗墙材料刚度地增加在不断地下移，增加到一定刚度时，中性点位置基本保持不变；随着材料刚度地增加，防渗墙上最大负摩阻力值不断的增加,开始增加的速率很快,后期变慢；封闭式防渗墙上竖向应力受负摩阻力的影响较大，材料模量越大，影响越显著。其研究成果可为以后工程设计提供参考。

封闭式防渗墙；负摩阻力；竖向应力；材料模量；中性点

0 引言

目前，随着水电事业的不断发展,坝体的高度不断增加,坝基覆盖层深度不断加深，而覆盖层分布的土层中往往多具有中—强透水性的粗粒土或砂土，尤其是接近地表的土体往往具有极强的透水性，在大坝达到几十m～几百m水头的作用下，坝基很容易产生渗漏或水力破坏等问题。所以，对深厚覆盖层必须进行防渗处理[1-2]。深厚覆盖层防渗处理中最有效、可靠的型式应属防渗墙，其在各类围堰和土石坝基础防渗工程中得到了广泛的应用[3]。封闭式防渗墙是指墙体插入到基岩或相对不透水层一定深度，以实现全面截断渗流的目的，所以在很多的围堰工程中得到了广泛的应用[4]。防渗墙作为一种防渗结构，在满足防渗功能的同时还承受着来自上覆坝体、水压力和两侧深厚覆盖层不均匀沉降而引起的负摩阻力的作用。针对负摩阻力，前辈或者学者们进行了大量的工作。郦惠能[5]针对冶勒水电站超深覆盖层上的防渗墙作了详细的分析，得出在坝体自重作用下，覆盖层的沉降大约为防渗墙的2倍，覆盖层与防渗墙的负摩阻力使防渗墙的底部产生了很大的压应力。潘迎[6]分析了河谷地形对深厚覆盖层中防渗墙的应力与变形的影响，最后得出防渗墙的竖向压应力值30%来自坝体的自重，70%来自侧壁的负摩阻力。但对其侧壁负摩阻力研究甚少，同时防渗墙随着材料的不同，其刚度也会发生较大的改变，其必然会影响封闭式防渗墙上的负摩阻力的分布，基于此，本文对封闭式防渗墙的应力状态随着材料模量的变化进行了系统的研究，希望本研究可以对以后的工程设计提供参考。

1 有限元模型

1.1 材料的本构模型

邓肯—张Et—μt模型可以很好地反映土的非线性应力应变关系。认为应力应变关系为双曲线型，并应用数学公式推导出切线模量Et。同时又根据试验所得的体积应变εv和轴向应变ε1的关系曲线，推导出了μt的表达式。其具体表达式如下：土的切线模量

切线模量对应的切线泊松比μt的表达式为

1.2 有限元模型

本文选取建于深厚覆盖层的黏土心墙—防渗墙。该坝坝高104m，坝顶宽为15m，坝长为580m，河床覆盖层厚达40m，防渗墙长为30m，伸入顶部高塑性黏土内5m。防渗墙为厚1m的悬挂式防渗墙。有限元模型如图1所示，其中主堆石、次堆石、反滤层、过渡层和黏土心墙、覆盖层采用邓肯—张的Et—μt模型，其具体参数见表1，防渗墙采用线弹性模型，混凝土防渗墙材料一般有2种：一种是普通的混凝土，模量在22～38 GPa之间；一种是塑性混凝土，其模量一般在0.3～3.0 GPa之间，为了研究不同材料的混凝土对防渗墙受力的影响，防渗墙的弹性模量分别取：0.3 GPa、0.6 GPa、0.9 GPa、1.2 GPa、1.5 GPa、3.0 GPa、6 GPa、22 GPa(相当于C15混凝土)、30 GPa(相当于C30混凝土)进行计算。所有部位采用平面三角形单元进行模型。模型底部采用固定约束，侧边采用法向约束。考虑到坝体分层施工碾压及材料的非线性特性，荷载按坝体施工填筑的先后顺序分10级来模拟。

图1 大坝实体模型

ф/(°)C/kPaknRfGFD过渡层45.315.015600.240.820.340.2005.00主堆石48.830.010400.300.810.330.2205.00次堆石47.830.09800.320.840.340.1503.00黏土心墙25.06.01500.430.400.410.1006.00反滤层45.00.012000.520.680.340.0806.00覆盖层37.00.015000.650.590.380.0352.97

2 计算结果及分析

2.1 封闭式防渗墙负摩阻力分布分析

图2反映了不同弹性模量的封闭式防渗墙负摩阻力的分布规律。从图中可以看出：采用低弹性模量的塑性混凝土，防渗墙上中性点位置距防渗墙顶较浅，负摩阻力最大值出现位置距离防渗墙顶较近，负摩阻力发挥程度较低。若防渗墙采用塑性混凝土，其弹性模量为E0=0.3 GPa，中性点位置出现在-12.6 m处，负摩阻力的最大值为-77 871 Pa，随着材料弹性模量的提高，中性点在不断地下移，负摩阻力的最大值在增加，负摩阻力的发挥程度在提高，当桩体材料弹性模量达到一定值后，中性点位置、负摩阻力的最大值以及负摩阻力的发挥程度基本保持不变。究其原因为：防渗墙上负摩阻力产生的主要原因是防渗墙与两侧覆盖层之间出现了差异沉降。封闭式防渗墙底部支撑在基岩上，在上覆坝体的作用下，防渗墙的沉降主要是由墙身的压缩引起的，当防渗墙材料模量较小时，其压缩量较大，与两侧覆盖层的差异沉降较小，负摩阻力发挥不出来，负摩阻力也较小，但防渗墙上不断产生的负摩阻力使得防渗墙的竖向应力增大，压缩量加大，这必然导致防渗墙与覆盖层的相对沉降开始减小，负摩阻力也开始减小，当相对沉降减小为零，即达到了中性点；过了这一点，上部产生的较大的负摩阻力使防渗墙的压缩量继续增加，大于了两侧覆盖层的压缩量，在防渗墙的侧壁上产生了正的摩阻力(方向向上)，且随着深度的增加在增加，一直达到防渗墙底部，其正摩阻力达到了最大值。

图2 防渗墙负摩阻力沿深度的分布曲线

2.2 封闭式防渗墙中性点的变化

随着材料弹性模量的变化，封闭式防渗墙中性点的变化如图3所示，从图中可以看出，随着混凝土材料刚度的增加，中性点位置在不断地下移，当材料强度增加到3 GPa时，中性点出现在-23.3 m处,此后随着材料模量的提高,其中性点位置基本保持不变。可以解释为：封闭式防渗墙材料模量越大，其

墙身的压缩量越小，与两侧覆盖层的差异沉降越大，越有利于负摩阻力的发挥。所以，随着材料模量的提高，负摩阻力值在不断的增加，相反，由于材料模量的提高，其压缩量却在减小，从而使得弥补相对沉降所需要的防渗墙的长度在增加，中性点下移；当防渗墙模量增加到一定值时，即使再增大防渗墙的模量，其压缩量也基本没有变化，使得弥补相对沉降所需要的防渗墙长度不变，中性点位置大致不变。所以当防渗墙模量大于这一极限值时，无论再怎么增大其中性点位置都将保持不变。中性点也就是墙体所受应力最大的点，因此，在工程管理中，要重点加强防渗墙中性点位置的施工质量，加强该处的观测。在工程设计中，封闭式防渗墙应力应变及渗压计观测设施主要安装在此位置，因为该部位受力最大，最容易出现破坏。

图3 封闭式防渗墙中性点位置变化图

从图3还可以看出：随着材料模量的加大，中性点下降的速度在放慢。主要是因为：当材料模量较小时，在上覆荷载和负摩阻力的作用下会产生较大的压缩量；随着防渗墙模量的不断增加，防渗墙的压缩性也在不断地减小，其压缩增加量有大的减小，即不均匀沉降减小的速度在减慢，表现为中性点下降的速度在放慢。

2.3 封闭式墙墙身最大负摩阻力分析

最大负摩阻力的变化如图4所示，随着材料的不同，防渗墙侧壁负摩阻力的最大值也在变化，由图3可以看出混凝土模量从0.3 GPa增加到3.0 GPa，其最大负摩阻力值增大速率较快，增加了65%；但从3.0 GPa增加到30 GPa，增加了26%；从22.0 GPa增加到30 GPa，只增加了10%。由此看出：随着材料刚度的增加，防渗墙与两侧覆盖层形成的相对沉降在增大，负摩阻力在增加，但当材料刚度增加到一定地步时，其相对沉降达到了使防渗墙侧壁的摩阻力达到峰值应力时的位移，即极限位移，即使再增加材料刚度，其负摩阻力也不会产生较大的变化，所以防渗墙材料刚度对防渗墙负摩阻力的影响是在一定范围内的。

图4 防渗墙负摩阻力的最大值

2.4 封闭式防渗墙竖向应力分布分析

由图5可知，由于负摩阻力的拖拽力使得防渗墙墙身上的竖向应力不断增加，可以看出：若采用模量较小的塑性混凝土，随着深度的增加，防渗墙墙身的竖向应力在不断地增加，但其增加的幅度较小，主要是因为塑性混凝土的刚度与两侧覆盖层的刚度相差较小，在上覆坝体的作用下，两者之间的相对沉降较小，产生的负摩阻力也较小，所形成的下拽力较小；但随着材料模量的增加，墙身竖向应力的增加幅度在变大，说明防渗墙所采用的材料刚度越大，墙身应力中负摩阻力所占的比例越大。由此可见，随着防渗墙材料模量的增加，其上负摩阻力的影响会更加显著。从中可得：虽然封闭式防渗墙具有良好的防渗性能，可以有效地防治发生水力破坏，但由于其材料和置于基岩上的特点，封闭式防渗墙上会产生较大的负摩阻力，进而加大防渗墙的竖向应力，有可能导致防渗墙开裂。所以，封闭式防渗墙材料尽量选择模量较小的塑性混凝土。

图5 防渗墙竖向应力与深度的关系曲线

3 结语

1)材料强度对深厚覆盖层上封闭式防渗墙的影响较大，随着强度的增加，中性点位置在不断地下移，当增加到一定程度时中性点位置基本保持不变。

2)防渗墙上最大负摩阻力也随着材料强度的增加在不断地增加，其趋势为开始增加的幅度较快，后期变慢。

3)由于封闭式防渗墙上负摩阻力产生的拖拽力，使得防渗墙上的竖向应力在不断增加。随着防渗墙材料模量的增加其上负摩阻力的影响会更加显著。

[1] 王刚，张建民，濮家骝.坝基混凝土防渗墙应力位移影响因素分析[J].土木工程学报,2006,39(4)：73-77.

[2] 张小平，包承纲，张劲松.三峡工程二期围堰防渗墙变形规律及运行状况分析[J].水利学报,2000,9(1):91-95.

[3] 孙明权，张玉琴，刘桂梅.土坝防渗墙材料与厚度对墙体应力变形的影响[J].华北水利水电学院学报,2004,25(4):1-4.

[4] 程展林.三峡二期围堰垂直防渗墙的应变形态[J].长江科学院院报,2004,21(6):34-37.

[5] 郦能慧，米占宽，李国英，等.冶勒水电站超深覆盖层防渗墙应力变形性状的数值分析[J].水利与水运工程学报,2004，3(1)：18-23.

[6] 潘迎，何蕴龙，周小龙.河谷地形对深覆盖层中防渗墙应力变形影响分析[J].岩土力学,2013，34(7)：2023-2041.

The Negative Friction Influence of Material Modulus to the Enclosed Cutoff Wall

LIU Na，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In order to research the effect of material modulus on the negative friction of the enclosed cutoff wall，taking an clay core rock fill dam as a background，this article has established the finite element model.The filling materials of dam and overburden are adopted by the Duncan-ChangEt-μtmodel.Theinterfacewithoutthicknesshasbeenusedinthecontactrelationbetweenthecutoffwallandoverburden.Anonlinearfiniteelementcalculationwascarriedout.Theresultsindicatethatthedistributionofthenegativefrictionontheenclosedcutoffwallisgreatlyinfluencedbythestiffnessofthematerial.Neutralpointpositionisconstantlymovingdownwiththeincreasingofthematerialstiffnessonthecutoffwall.Whenthestifnessisincreasedtoacertaindegree，theneutralpointpositionisbasicallyunchanged.Withtheincreaseofthematerialstiffness，themaximumnegativefrictionvalueoftheenclosedcutoffwallisincreasing.Therateofthebeginningisfast，andthelatterisslow.Theverticalstressontheenclosedcut-offwallisaffectedgreatlybythenegativefriction.Themorematerialmodulus，themoreremarkabletheinfluenceis.Theresearchresultscanprovidereferenceforthefutureengineeringdesign.

enclosed cutoff wall；negative friction；the vertical stress；material rigidity；neutral point

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.019

2016-09-12

校青年基金项目(320150005)

刘娜(1982-)，女(汉)，内蒙古，讲师 主要研究岩土工程数值分析。

TV33

A

1009-8984(2017)01-0075-04