塑性混凝土防渗墙在截渗坝中的应用

张树茂

(1.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102628)

塑性混凝土防渗墙是一种柔性工程材料，与传统的刚性混凝土防渗材料相比，具有弹性模量低、适应性强、耐久性高、抗渗性能好等特性[1]，同时施工过程中减少了水泥用量，降低了工程成本、简化了施工工艺。由于具有这些优良特性，使得塑性混凝土在水利防渗工程中发挥了极为重要的作用[2-4]。据不完全统计，目前已经有60座水利工程使用塑性混凝土防渗墙[5]，成墙面积达80万m2，但塑性混凝土防渗墙在尾矿库截渗坝中应用较少，刘典忠[6]介绍了塑性混凝土在西藏甲玛尾矿库中的应用，但基本只介绍了施工工艺，并未对后续运行情况中应力变形进行分析，一旦墙体结构发生破坏，将会导致下游环境受到污染，严重影响人民的正常生活，后果不堪设想。本文采用有限元方法，研究了塑性混凝土防渗墙在静动力作用下的应力特性以及变形特性，对其可靠性作出评价。

1 工程概况

位于9度地震区的某尾矿库，库区谷底为第四系泥石流堆积卵砾石含砂层。由于卵砾石层渗透系数大，尾矿库投入运行后可能发生跑混、绕坝渗流或基底渗透坡降过大等情况，在初期坝下游坝脚外边线约200 m处设置截渗坝一座，坝下设塑性混凝土防渗墙，最大深度达85 m。

2 计算原理

土体材料静力计算采用Duncan E-B模型[7]。

Duncan E-B非线性应力与应变关系可以表达成下列增量形式：

{Δσ}=[D]{Δε}

(1)

Duncan E-B非线性模型的基本参数为切线弹性模量Et和切线体积模量Bt，分别由下列两式计算：

Et=Ei(1-Rf·Sl)2

(2)

Bt=KbPa(σ3/Pa)m

(3)

式(2)中的Et为初始切线模量，Sl为应力水平，其计算表达式分别为:

Ei=KPa(σ3/Pa)n

(4)

(5)

(6)

对于卸载情况，用下列回弹模量代替切线弹性模量。

(7)

式(7)中：Eu r为试验确定的回弹模量系数。

土体材料动力计算采用等效线性模型[8]。由于土体材料具有非线性特性，其动应力和动应变的关系曲线如图1所示。

动剪切模量计算公式为：

(8)

图1 土的动应力—应变关系Fig.1 The relation between dynamic stress and strain of soil

3 材料参数

3.1 静力计算材料参数

静力计算材料参数见表1。

3.2 动力计算材料参数

动力计算中防渗墙体材料参数见表2，截渗坝坝体材料参数及其动剪切模量和阻尼比与动剪应变幅的关系曲线分别见表3和图2。

表1 静力计算参数

表2 防渗墙计算参数

表3 坝体材料计算参数

图2 动剪切模量和阻尼比与动剪应变的关系曲线Fig.2 The relation between dynamic shear modulus and damping ratio with shear strain

4 变形特性分析

静动力工况下防渗墙和墙体外围土体的水平位移以及竖向位移沿高程分布图见图3和图4。

图3 静力工况下防渗墙及墙外土体位移图Fig.3 Displacement of cutoff wall and the surrounding soil under static condition

图4 动力工况下防渗墙及墙外土体位移图Fig.4 Displacement of cutoff wall and the surrounding soil under dynamic condition

从图中可以看出，静力工况下，防渗墙水平位移以及竖向位移基本在0 cm左右，几乎没有发生变形，这是由于截渗坝距离尾矿坝较远，尾矿库筑坝以及排放尾矿不会对截渗坝下的垂直防渗结构造成影响。

动力工况下，在卵砾石地基中，动位移呈逐渐增大趋势，这是由于卵砾石地基弹性模量相对较低，所以其变形稍微较大，最大水平动位移为0.72 cm，最大竖向动位移为0.3 cm。周围土体的变形规律和防渗墙基本一致。

5 应力特性分析

静动力工况下防渗墙沿高程应力分布情况见图5和图6。

图5 防渗墙静应力分布图Fig.5 Static stress distribution of cutoff wall

图6 防渗墙动应力分布图Fig.6 Dynamic stress distribution of cutoff wall

从图中可以看出，静力工况下，由于截渗坝下垂直防渗结构受到尾矿筑坝以及排放尾矿的影响较小，主要受其自重影响，大小主应力分布基本呈线性趋势，和其自重应力分布基本一致，大主应力最大值没有超出其极限抗压强度，同时也没有出现拉应力。

动力工况下，防渗墙和墙外土体存在差值很小的错位变形但两者变形协调，这是由于塑性混凝土防渗墙与墙外土体一样具有动力非线性，使得在地震作用下其动模量随着动应变降低而与周围土体的模量较为接近，而且地震越强烈，两者之间差距越小，所以其动应力响应很小。

6 结论

通过以上分析，得到以下几点结论：

1)塑性混凝土防渗墙墙体应力状态良好、分布均匀，未出现拉应力，且剪应力较小，不会发生拉剪破坏现象。

2)塑性混凝土防渗墙与周围土体变形协调、抗震性能较好，尤其是在强震区优势更加明显。

3)塑性混凝土防渗墙在尾矿库防渗设计中应值得推广，同时本文的计算方法可以为后续相关的计算分析提供借鉴。