低弹模混凝土防渗墙弹模值对大坝压应力的影响

陈 强 ，王 珂

（1.余姚市水利电力建筑勘测设计院，浙江 余姚 315400；2.常州市金坛区城市防洪工程管理处，江苏 常州 213200）

1 问题的提出

混凝土防渗墙广泛应用于土石坝的除险加固工程中，但在实际工程中暴露了混凝土防渗墙的弹性模量高而极限应变小的问题，在荷载作用下，墙体应力比混凝土的设计强度高出很多，防渗墙体易遭到破坏，防渗效果降低，甚至威胁大坝安全[1]。为提高混凝土防渗墙的安全性，要尽量降低混凝土的弹性模量，同时也要满足混凝土强度要求[2]，但混凝土的抗压强度和墙体应力随弹性模量的降低而降低，且降低比例不一致，降低混凝土的弹性模量，墙体应力减小的数值远小于混凝土强度减小的数值[3-5]。

浙江省提出了弹性模量介于常规刚性混凝土（大于10 000 MPa）和塑性混凝土（小于1 000 MPa）之间的低弹模混凝土，低弹模混凝土防渗墙可以有效兼顾变形协调和自身强度要求[6]。

目前低弹模混凝土防渗墙在国内尤其是浙江省内得到广泛应用。郎小燕列出了5个浙江省已完成的除险加固混凝土弹性模量设计取值在1 250~5 000 MPa，抗压强度为5~9 MPa的大中型水库，水库大坝防渗效果良好[7]。尉高洋、李少明等专家和学者对低弹模混凝土防渗墙在水库大坝除险加固工程中的应用进行研究，低弹模混凝土防渗墙弹模取值基本在2 000~5 000 MPa，而低弹模混凝土强度一般不低于5 MPa且不超过10 MPa，应用价值较高[8-16]。

目前，低弹模混凝土防渗墙弹性模量变化对水库大坝的运行影响研究主要通过数值模型研究低弹模混凝土防渗墙的应力应变，以现场监测数据检验低弹模混凝土防渗墙的运行效果。

本文基于牟儒的研究成果：防渗墙的应力对墙体自身弹模的敏感性大大高于对周围坝体填土的敏感性[6]。以吴家园水库大坝工程为例，通过有限元软件模拟研究弹性模量取值的变化对低弹模防渗墙应力影响，对比分析大坝运行中混凝土防渗墙应力应变监测数据，进而论证吴家园水库大坝在除险加固中采用的低弹模混凝土防渗墙弹模设计值变化对大坝运行效果的影响，研究成果可为同类土石坝除险加固工程提供参考。

2 工程概况

吴家园水库大坝原为黏土心墙土石坝，坝顶高程49.60 m，最大坝高32.35 m，坝顶长232.60 m，宽6.00 m。2008年实施水库除险加固工程，除险加固时防渗采用低弹模量混凝土防渗墙，混凝土防渗墙墙顶高程46.00 m，墙底深入坝基弱风化基岩内1.00 m，局部有加深，防渗墙最大墙深67.00 m，墙体厚度0.80 m。防渗墙弹性模量设计指标不大于4 800 MPa，抗渗等级为W8，抗压强度为10 MPa，抗拉强度不低于0.85 MPa。拦河坝标准断面见图1。

图1 大坝标准断面图 单位：mm

低弹模混凝土防渗墙作为隐蔽工程，其质量好坏需要在施工过程中进行控制，尤其是弹性模量取值，低弹模混凝土防渗墙的应用效果在最终运行中才能完全体现[17]。吴家园水库大坝在除险加固施工过程中对混凝土试块进行检测，最大弹模值为7 376 MPa，抗压强度、抗拉强度全部合格。施工完成后对混凝土防渗墙工程质量实施钻孔取芯检测，弹模值均大于设计值，最大弹模值为6 380 MPa，抗压强度、抗拉强度全部合格。分析认为施工前未进行混凝土配合比试验，施工使用的混凝土砂率较低，粗骨料用量较多，导致混凝土的强度满足设计要求而弹性模量偏大。

3 数值模型及结果分析

3.1 数值模型的建立

吴家园水库大坝应力计算采用有限元软件Autobank 7.7建立平面应力应变模型，坝体材料均采用邓肯-张非线性弹性模型，另设置混凝土防渗墙与周边土体接触面，采用逐次增量的方法模拟材料的非线形特性，计算低弹模混凝土防渗墙的应力状态。

数值模型所需的各材料的非线性弹性参数参考《浙江省苍南县吴家园水库除险加固工程初步设计报告》[18]中的数据（见表1）。由于该工程为除险加固工程，并且主体工程已竣工多年，模型计算模拟工况为低弹模防渗墙施工完成，坝体固结完成，水库大坝正常运行。本文重点分析2014年运行过程中出现的最不利工况下防渗墙的应力应变情况，根据《苍南县吴家园水库大坝安全监测资料分析报告（2014年）》[19]，2014年度库水位在31.01~42.50 m范围内，假设最不利工况为水库水位由最低水位31.01 m上升到最高水位42.50 m。吴家园水库大坝计算模型坝基两端采用滑动支座，约束水平向的位移，坝基底部采用固定端支座，约束水平向和竖向位移。应力计算结果以受压为正，受拉为负。

表1 吴家园水库大坝数值模拟主要参数表

3.2 计算结果分析

采用2014年度运行工况下防渗墙的5种弹性模量进行计算，弹性模量分别取2 000，4 000，4 800，6 380，8 000 MPa。为分析混凝土防渗墙弹模变化对防渗墙应力的影响，研究最大压应力（y向正应力）随弹模（2 000~8 000 MPa）变化的规律，数值模拟计算结果见表2及图2。

表2 吴家园水库大坝数值模拟结果表

图2 防渗墙弹性模量与防渗墙最大压应力关系图

不同弹模值墙体均处于受压状态，变形以弯曲为主，防渗墙墙体底部压应力最大，为最不利部位，其压应力随高度的分布基本相似。整个墙体只有在“L”型防浪墙位置出现拉应力，拉应力分布范围较小。因此，混凝土防渗墙的强度受压应力控制。

最大压应力随着弹性模量的增大而增大，本次混凝土防渗墙最大压应力计算结果为2 340~4 970 kPa。其中，当弹性模量取4 800 MPa时，防渗墙的最大压应力为4 110 kPa；当弹性模量取6 380 MPa时，防渗墙的最大压应力为4 700 kPa；均低于防渗墙抗压强度设计值10 000 kPa。

4 防渗墙应力监测资料分析

4.1 监测系统及监测资料

根据《苍南县吴家园水库大坝安全监测资料分析报告（2014年）》，选取坝体0+112 m断面监测资料进行分析。大坝应力应变监测数据统计见表3。

表3 吴家园水库大坝应力应变监测数据统计表

4.2 监测数据分析

根据监测数据分析，对比相同断面同一高程处的上下游2个测点测值，整体上防渗墙上下游2个测点压应变值相差不大。2014年度防渗墙上下游未出现拉应变，混凝土防渗墙基本处于受压状态，压应变随高程降低而变大，应变值的变化相对平稳，墙体底部应力应变最大，为最不利状态。这是由于混凝土防渗墙与基岩连接处出现应力集中，防渗墙底部承受较大压应力。监测数据分析结果与数值模拟计算结果基本一致，监测设备埋设高程与最大压应变关系见图3。

图3 监测设备埋设高程与最大压应变关系图

防渗墙混凝土弹模为6 380 MPa时，由实测最大压应变换算最大压应力为1 012 kPa，在抗压强度设计值允许范围内。而数值模拟时（弹性模量为6 380 MPa），防渗墙的最大压应力为4 700 kPa，是实测最大压应力的4.6倍。造成数值模拟结果与实测不符的原因主要是数值模拟计算的工况为假设的最不利工况。

5 结 论

（1）通过有限元软件建立吴家园水库大坝模型，进行数值模拟计算，模拟结果表明：随着弹性模量（2 000~8 000 MPa）的增大，最大压应力越大，并出现在防渗墙底部。建议在采用低弹模混凝土防渗墙时，抗压强度设计值不应低于5 MPa。

（2）低弹模混凝土防渗墙应力应变监测数据分析结果表明：混凝土防渗墙基本处于受压状态，压应变随高程降低而变大，墙体底部应力应变最大，为最不利状态，与数值模拟结果基本一致。大坝混凝土防渗墙数值模拟及实际检测的压应力数值均低于抗压强度设计值，吴家园水库大坝运行正常。

（3）综合监测数据成果及无损探测检测结果，分析低弹模混凝土防渗墙运行使用效果，总结低弹模混凝土防渗墙设计施工经验，可为类似工程设计施工提供参考。