塑性混凝土心墙材料参数的敏感性分析

金一鸿

(林口县朱家镇农业综合服务中心，黑龙江 林口 157613)

塑性混凝土心墙材料参数的敏感性分析

金一鸿

(林口县朱家镇农业综合服务中心，黑龙江 林口 157613)

塑性混凝土心墙近些年在工程中有着重要应用，是重要的防渗型式之一，因工艺简单、防渗效果突出等优点得到广泛应用。塑性混凝土防渗能力强，弹性模量比低、较好的适应外界荷载和环境温度变化等特点而受到人们的广泛关注。文章进行了墙体材料对塑性混凝土心墙应力变形特性的影响分析，揭示了一定条件下塑性混凝土心墙的应力变形特性。

塑性混凝土心墙；防渗型式；应力变形；敏感性分析

0 引 言

塑性混凝土作为一种新型防渗材料，和普通混凝土的不同之处在于，前者的胶凝材料组成既有水泥和黏土等，通常还会掺加外加剂、粉煤灰来提升特定性能，同时得以减少工程材料用量[1]。目前对于坝体塑性混凝土防渗墙分析较少，分析仅限于在混凝土防渗墙的材料特性和受力状态上，且大部分应用于大坝坝基和施工围堰的防渗处理。塑性混凝土心墙作为大坝的防渗体系，其结构安全是整个大坝安全运行的保证。为了对塑性混凝土心墙进行深入系统的研究，系统分析塑性混凝土心墙不同材料特性对塑性混凝土心墙应力变形特性的影响显得尤为重要。

1 塑性混凝土的应力变形特性

根据受力特点，对塑性混凝土进行了三轴压缩试验[2]，分析压力水平、龄期对塑性混凝土静力学特性的影响。

1.1 三轴压缩试验条件下的破坏型式及设计强度准则

(1)

对于塑性混凝土防渗墙，采用摩尔—库仑强度理论，考虑测压的作用可较大程度的提高抗剪强度，比较符合实际情况。尤其是在对中高土石坝塑性混凝土防渗墙中。

1.2 四周压力对塑性混凝土强度和极限应变的影响[3]

塑性混凝土的应力应变曲线直观上存在比例极限的极限点，在此点下方，应力变形关系曲线类似直线。四周压力σ3的不断增加，关系曲线趋于曲线阶段变化，此时体积应变为减缩，这是非线性材料的显著特点。这种变化说明塑性混凝土坝和坝基岩体的材料本构关系相似。同时塑性混凝土的抗压强度随压力的变化逐渐增大，极限应变变化规律同抗压强度。

1.3 四周压力对塑性混凝土初始模量的影响

在土体中，初始模量Ei随着四周压力σ3的不断增加而增加，指数函数关系式为：

(2)

式中：K、n为试验常数，由常规三轴试验确定。

塑性混凝土的初始模量Ei与围岩压力没有这种指数关系，正因这一材料力学特性，保证了其在土石坝防渗墙中的合理应用。当防渗墙不断填筑时，土体的初始模量增大，但塑性混凝土防渗墙的变化幅度不大，致使荷载发生转移，防渗墙的应力得到改善。塑性混凝土的抗压强度随着时间关系的不断增大，极限应变不断增加，有力的保障了其安全性。

1.4 龄期对塑性混凝土力学特性的影响

在不同龄期的无侧限压缩试验中分析得出，龄期与塑性混凝土的强度和初始模量呈线性变化关系。塑性混凝土随龄期的增长，其抗压强度大大提高，而且其提高倍数与灰水比密切相关，几近成反比关系。塑性混凝土的无侧限抗压强度和初始模量几乎同步增长。而混凝土的模强比与龄期变化呈反比关系，说明塑性混凝土防渗墙龄期越长，安全系数越高。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水利枢纽工程位于辽宁省境内，距市区68km。该水库主要是以蓄水为主，发电、防洪为辅。该工程级别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型，水库枢纽工程由大坝、溢洪道、泄洪排沙洞和坝后电站等主要建筑物组成。坝体为塑性混凝土心墙碾压砂坝，大坝按洪水百年一遇设计，千年一遇校核。水库正常蓄水位765m，设计洪水位765.22m，校核洪水位766.82m。坝顶高程768m，最大坝高58.0m，坝长745.0m，坝宽10m[4]。大坝标准横剖面见图1。

图1 大坝标准横剖面图

2.2 心墙应力变形性态对于其材料参数的敏感性分析

由工程经验研究成果得知，塑性混凝土的弹性模量是影响变形性能的关键参数，文章根据工程比较采用以下四组经验参数[5]，分别对不同材料特性的塑性混凝土与普通混凝土心墙进行应力变形计算分析，见表1。

表1 不同心墙材料非线性弹性模型计算参数

通过对以上四种方案的计算，得到各方案在两种工况下应力变形分布规律，将四种方案防渗心墙的位移和应力变化归纳总结列于表2中。

表2 不同材料的心墙应力变形统计表

2.3 计算结果

1)施工期

2)蓄水期

从图示结果可以看出，不同方案下心墙水平位移大致呈现与心墙弹性模量的反比关系，数值变化区间在一定范围内不大。竣工期，心墙水平位移最大值4.9cm，蓄水期增大为21.8cm，位置约在2/3坝高处。表明不同材料对心墙水平位移影响较小。

心墙的垂直位移受混凝土模量影响较大，刚性混凝土比塑性混凝土防渗心墙的变化值小。竣工期，方案一的最大沉降为27.7cm，方案四为19.2cm，减少了8.5cm。蓄水期，方案一的最大沉降41.3cm，方案四仅有22.8cm，减少了18.5cm。分析认为刚性混凝土防渗心墙的适应变形能力不如塑性混凝土防渗心墙，原因在于其与坝体和覆盖层变形不一致，容易脱开，危险系数加大。对比可知混凝土防渗心墙的水平位移的变化受其自身材料参数影响很小，在沉降分布上受自身材料参数的影响较大。

四种方案下不同工况的大、小主应力沿心墙高度方向分布规律相同，原因在于防渗心墙受压应力，随坝体高度的增加逐渐变小，在坝基与覆盖层的接触面有不同程度的应力集中。塑性混凝土最大压应力随模量增加而增加。对比方案一与方案二，模量提高110%，竣工期应力增加21%，蓄水期增加约12%；方案三与方案一比，模量提高63%，施工期应力增加约36%，蓄水期增加6%。受材料特性影响，塑性混凝土心墙大主应力增加缓慢，明显小于刚性混凝土心墙的应力变化水平。但二者的小主应力分布规律几乎一致且数值变化区间相近。

由图可知，塑性混凝土墙体的应力水平变化范围较大，在坝基基岩面和地基覆盖层处的应力水平沿高程局部有震荡现象，因应力水平小于1.0，表明塑性混凝土是安全的。而刚性混凝土心墙的应力水平局部达到1.8，远大于应力水平允许值，剪切破坏发生的可能性很大。从刚性混凝土心墙的适应变形能力和受力状态等表现都劣于塑性混凝土防渗心墙。塑性混凝土心墙比刚性混凝土心墙的适应能力更强，心墙的柔软度越好，其相应的应力状态越稳定。变形指标越小对其应力状态的适应性更强。所以，在设计工作当中，推荐采用塑性混凝土心墙坝。

3 总 结

文章在塑性混凝土应力变形特性的分析基础上，以心墙坝工程为例，进行了常规的三维有限元计算，得出塑性混凝土心墙坝在不同工况下刚性及塑性混凝土心墙材料参数不同的心墙特性敏感性分析，通过不同方案的计算对比分析，塑性混凝土的工程适用性更强，实际工程宜采用高强低弹的塑性混凝土材料。

[1]张鹏,李清富.塑性混凝土抗剪强度试验研究[J].水力发电，2008(08)：19-21，24.

[2]谭小通.塑性混凝土防渗墙技术在水库施工中的应用[J].企业科技与发展，2007(12)：152-153.

1007-7596(2017)07-0076-04

2017-06-16

金一鸿(1970-)，男，黑龙江林口人，工程师。

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