竖向荷载作用下厚覆盖层防渗墙竖向变形模型试验研究

林懿翀，王 荣*，史江伟

(1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210024)

目前，我国有多座250 m 甚至300 m 级的超高土石坝在设计或施工中。混凝土防渗墙是深厚覆盖层地基土石坝防渗处理的有效措施。然而，坝体填筑期和蓄水期间，防渗墙受力极其复杂，准确计算混凝土防渗墙的变形和应力是土石坝工程亟待解决的问题。有限元数值模拟具有考虑防渗墙-土体相互作用、模拟坝体施工全过程和不同材料分区等优点，数值计算广泛用于高土石坝的变形和应力分析[1-2]。通过开展有限元数值分析，黄华新等[3]研究了覆盖层及防渗墙物理力学参数对心墙坝应力变形的参数分析。但是，数值计算结果的准确性取决于土体模型参数、土-结构接触面参数等[4-5]。室内模型试验具有模拟复杂边界条件和荷载条件的优势，被众多学者用于研究混凝土防渗墙变形分析。陈慧远[6]基于模型槽试验，建立了防渗墙土压力的计算公式，发现普通混凝土防渗墙能够满足数十米深覆盖层防渗墙的强度要求。通过开展混凝土防渗墙接头的大比尺模型试验，朱俊高等[7]研究了防渗墙接头方式和插入方式对应力的影响，发现软接头方式可以降低墙内应力。任海军和高元太[8]对防渗墙成槽施工工艺和泥浆配合比技术进行改进，成功降低了深厚覆盖层的防渗墙应力集中现象。徐建国等[9]研究了高聚物防渗墙在土石坝防渗加固工程中的应用，发现忽视渗流-应力耦合作用导致坝体位移和应力偏小。另有一些学者[10-11]采用模型槽试验，研究混凝土心墙底部接头形式对大坝变形的影响。以前学者大都开展有限元数值模拟研究防渗墙的变形机理，而本文通过开展室内物理模型试验，研究防渗墙墙底接触刚度和墙-土接触面属性对防渗墙变形的影响。实测结果不仅是对数值模拟结果的补充，更可用于验证有限元数值模拟结果。

1 室内模型试验

1.1 试验方案

图1为试验所采用的三维矩形刚性模型槽，其尺寸为80 cm×40 cm×120 cm(长×宽×高)，钢材厚度为5 mm。为了模拟混凝土防渗墙顶部荷载，采用2台20 t油压千斤顶施加竖向荷载。加压板为2 cm厚钢板，加载范围为40 cm×80 cm。通过加压钢板，将千斤顶施加的轴向力转为均布荷载。每次试验分7级加载，荷载施加后维持20 min，加下一级荷载。模型箱表面的竖向荷载分别为160、320、480、640、800、960和1 120 kPa。在模型箱内部涂抹凡士林，以降低土样与模型箱内部的摩擦力。

图1 三维模型槽示意图 (单位:cm)Fig.1 Schematic view of three-dimensional model container 2-a 刚性接触2-b 柔性接触图2 模型槽试验立面图Fig.2 Elevation view of physical model test

表1 模型试验方案Tab.1 Testing program

为了研究防渗墙墙底刚度和墙-土接触面属性对混凝土防渗墙的变形影响，共进行4种工况的大尺寸室内模型槽试验，见表1。工况1和2重点研究防渗墙底部刚度对应力变形的影响。工况1模拟混凝土成墙时底部存在“残渣”，“残渣”表示防渗墙底距离模型槽底板10 cm，之间填有覆盖层料(软接触)；工况2中的混凝土防渗墙与钢板接触，即刚性接触(见图2)。为了确保墙底有无残渣的试验结果具有可比性，墙底有残渣的模型试验将覆盖层和高塑性土整体抬升10 cm。对于墙底有、无残渣的模型试验，覆盖层土和高塑性土厚度一致。为了模拟墙底接触的两种极限状态，墙底无残渣的防渗墙直接坐落在模型箱底部；墙底有残渣的防渗墙坐落在黏土表面。为了研究墙-土接触面的影响，设置2种泥皮的布置方式。工况3调制含水率为30%的黏土，直接涂抹在混凝土防渗墙表面；工况4配置一定含水率的膨润土，用塑料袋封装，并压制成0.5～1 cm的薄饼，连同塑料袋放置于防渗墙与填土之间。

1.2 试验材料

模型试验采用双江口堆石料模拟厚覆盖层，土料的密度为2.2 g/cm3，相对密度为0.9。覆盖层料上部为高塑性黏土，试验采用的高塑性黏土干密度为1.71 g/cm3，含水率为最优含水率，即10%。混凝土防渗墙的长、宽和高分别为40 cm、5 cm和65 cm。此混凝土防渗墙采用强度等级为M5砂浆制备。为了达到此强度，砂浆水泥用量为230 kg/m3，砂浆用水量为330 kg/m3。防渗墙浇筑完毕后，在室温条件下养护28 d。采用同样方法制作混凝土试块，测定的混凝土防渗墙的弹性模量为7.2 GPa。

图3 应变片布置图Fig.3 Installation of strain gauge

1.3 传感器

试验采用1/4桥补偿片测量混凝土墙的应变。首先，在防渗墙上需要贴应变片的位置用粗砂纸磨平。然后，用502胶将应变片粘贴在相应位置。再次，连接应变片导线，用万用表测量应变片及导线连接是否正常。最后，在应变片及接线端涂抹硅胶，防止试验过程中应变片发生破坏。本次试验沿防渗墙中轴线方向竖向布置应变片，间隔为15 cm，防渗墙双面均布置应变片，如图3所示。试验加荷过程中，采用百分表测量模型槽表面加压盖板沉降。

2 试验结果分析

2.1 防渗墙底刚度影响

图4为不同墙底接触刚度下模型槽顶部沉降。由于防渗墙埋在土体中，不易于直接测量防渗墙沉降。因此，在刚性加压钢板顶部安装了百分表测量了整个模型的变形量。因此，文中沉降包括防渗墙顶部覆盖层沉降和防渗墙本身沉降。每个试验的覆盖层厚度一致，相同压力下的覆盖层压缩量可认为是一致的，各试验的防渗墙沉降便可直接比较。模型槽表面沉降大意味着防渗墙顶部沉降也大。发现随着上部竖向荷载的增加，土体和防渗墙逐步被压缩，因此，底部残渣和刚性工况的防渗墙沉降均随荷载的增加而增加。底部为柔性接触(工况1)的防渗墙沉降量明显大于刚性接触(工况2)的防渗墙沉降。当竖向荷载为1 120 kPa时，工况2(刚性接触)的沉降量仅为工况1(柔性接触)沉降量的87%，表明底部残渣变形增加了防渗墙的沉降。

图4 不同墙底刚性接触的防渗墙沉降变形Fig.4 Influence of contact stiffness on settlement of concrete wall5-a 柔性接触(残渣)工况15-b 刚性接触工况2图5 不同墙底刚性接触的防渗墙应变Fig.5 Influence of contact stiffness on compressive strain of concrete wall

图5为墙底不同刚性接触的防渗墙应变。上部竖向荷载导致墙身被压缩，产生压应变，最大压应变均位于1/2墙高处。对于工况1，防渗墙顶部和底部为高塑性黏土和堆石料，其刚度远小于混凝土防渗墙。因此，墙顶和墙底均能刺入土体，墙顶和墙底的应变较接近。对于工况2，墙底部为钢板，不能发生刺入，墙底的压应变明显大于墙顶的应变，工况2的压应变是工况1的1.44倍。虽然防渗墙底部残渣的存在能降低墙身应变，但应变的降低是以牺牲防渗墙沉降为代价的。

2.2 接触面对防渗墙变形的影响

图6为不同接触面泥皮下模型槽顶部的沉降。采用未包裹的黏土做泥皮后，模型槽顶部的沉降比不考虑泥皮的工况(工况1)大25%。顶部变形大同样也意味着防渗墙顶部沉降也大。这主要是因为未包裹的黏土泥皮中水分易于被防渗墙和覆盖层石料吸走，从而导致泥皮与防渗墙体紧紧贴合在一起，产生吸力，且平面不平整。防渗墙周边土体下沉时，产生更大的负摩阻力，进而引起更大的压缩变形。采用包裹的膨润土做泥皮后，防渗墙的沉降明显降低(比黏土泥皮的工况小25%)，且小于没有泥皮的工况(工况1)。因此，采用膨润土做混凝土防渗墙能够显著降低上部荷载引起的墙体沉降。

图7为不同泥皮下防渗墙的应变。采用未包裹的黏土做泥皮，并不能改变防渗墙应变的分布形式，最大压应变依然位于1/2墙高处。防渗墙的压应变比不考虑泥皮的工况(工况1)大16%，这与防渗墙的沉降一致的。若采用膨润土做防渗墙泥皮，墙体的压应变明显降低，最大压应变位于防渗墙顶部和底部。相比于不考虑泥皮(工况1)、采用未包裹的黏性土做泥皮(工况2)，工况4的最大压应变分别降低了44%和52%。这主要是因为采用膨润土泥皮后，防渗墙顶部的沉降变形变小(图6)。由于防渗墙底部均为刚性接触，墙顶部沉降小意味着防渗墙压缩变形，应变也相应较小。

图6 不同接触面泥皮对防渗墙沉降的影响Fig.6 Influence of wall-soil interface properties on settlement of concrete wall7-a 黏土泥皮工况37-b 膨润土泥皮工况4图7 不同接触面泥皮对防渗墙应变的影响Fig.7 Influence of wall-soil interface properties on compressive strain of concrete wall

3 结论

通过室内大尺寸模型试验，研究防渗墙墙底接触刚度和墙-土接触面属性对混凝土防渗墙变形的影响，得到结论如下：

(1)若防渗墙底部留有残渣，防渗墙沉降量明显大于底部为刚性的防渗墙。无论墙底柔性还是刚性接触，防渗墙的最大压应变均位于1/2墙高处。刚性接触的防渗墙身的压应变是柔性接触的1.44倍。

(2)采用未包裹的黏土做泥皮后，防渗墙的沉降和压应变反而大于不考虑泥皮的工况。然而，采用膨润土做泥皮后，防渗墙的沉降明显降低。因此，采用膨润土做混凝土防渗墙能够显著降低上部荷载引起的墙体沉降。

(3)采用膨润土做防渗墙泥皮，墙体的压应变明显降低，最大压应变位于防渗墙顶部和底部。相比于不考虑泥皮和采用未包裹的黏性土做泥皮，膨胀土泥皮防渗墙的最大压应变降低了44%。