聚丙烯纤维混凝土框格梁加固土石坝背水坝坡效果评价

陈远奇

(辽宁泽峰水利工程规划设计有限公司，辽宁 沈阳 110000)

近年来，我国的经济获得快速发展，基础设施建设也步入新一轮快速发展期。其中，水利工程建设是我国社会基础设施建设的重要内容，对保证我国有限水资源的合理调配和运用，保障水资源使用和供给安全具有重要意义。受到工程技术和成本等因素的影响，我国的水利工程，特别是小型水利工程建设领域，土石坝仍旧是主要坝型，占据了全国大坝的绝大部分。其中许多土石坝建成年代久远，加上自然灾害的影响，多数大坝亟待除险加固。在传统的土石坝背水坝坡除险加固过程中，往往采用放缓边坡、开挖换填以及压重固脚等工程技术措施，而这些措施往往存在经济性差、施工周期长等诸多不利之处。

现浇钢筋混凝土框格梁具有强度高、整体性好、耐久性好以及施工技术成熟等诸多优势，在填筑边坡防护工程中应用十分广泛。但是，许多小型土石坝地处偏远，交通不便，采用现浇钢筋混凝土框格梁加固背水边坡时存在施工不便、工期长、施工质量不易控制等诸多问题。基于此，此次研究提出利用聚丙烯纤维混凝土代替现浇钢筋混凝土，结合喷射机湿喷作业制作边坡框格梁的材料和技术思路，以降低施工难度、提高施工质量，合理控制工期。

1 评价计算模型

1.1 FLAC3D软件

FLAC3D软件是美国ITASCA公司推出的一款大型商用三维有限元软件，是一个有限差分程序。该软件使用的是显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，对材料破坏和流动的模拟十分准确，为岩体力学研究和工程问题的分析解决提供了有效的思路和方法，可以模拟岩土工程领域的锚杆、格栅、桩等各种不同的结构单元。同时，其内嵌的FISH语言可以实现软件功能，以解决较为复杂的岩土工程计算和评价问题。

1.2 模型的构建

此次研究以某除险加固工程土石坝为工程背景进行有限元模型的构建。其土体模型的平面尺寸在50m×20m，高为20m，坡度为1∶1.8。模型的下部为固定边界，后侧和两侧为滑动边界。模型离散为24350个单元和26911个计算节点。模型选用摩尔-库伦模型和弹性模型。其中，摩尔-库伦模型主要被用于描述岩石和土体的剪切破坏，弹性本构模型主要被用于计算边坡的初始应力场。

在此次数值模拟研究中，为了获取聚丙烯纤维混凝土框格梁的工程应用意义和价值，需要将其和传统的钢筋混凝土框格梁的加固效果进行对比评价。由于2种框格梁采取的是不同的结构材料，因此必须要选择合适的结构单元，模拟边坡和支护结构之间的相互作用。在FLAC3D有限元软件中，自带有丰富且功能十分强大的结构单元模型。研究中借助混凝土框格梁以及锚杆领域的最新研究成果，考虑框格梁的梁体和土体之间的相互作用，采用软件中的梁单元进行模拟。根据背景工程的实际情况，框格梁的每格边长设定为6.0m，其截面的尺寸为0.4m×0.4m。根据软件中的指导书，全部混凝土框格梁采用相同的ID号。综合考虑计算结果的精确度和计算量，每段框格梁离散成12个梁单元，13个节点。结合研究的实际需求进行参数选择，确定其具体取值，结果见表1。

表1 框格梁单元计算参数

模拟实验中的锚杆采用cale线性结构单元模拟，其主要由2个节点之间线段组成，具有2个不同的自由度。对模型中的框格梁、锚杆以及实体单元之间利用刚性连接。由于锚杆属于典型的弹塑性材料，其与研究有关的主要是自身的力学性以及和周围结构之间的剪切作用特征。此次研究中采用的锚杆位于框格梁的立柱和横梁的交接部位，为直径28mm的普通螺纹钢，锚杆采用PO42D5R 普通硅酸盐水泥浆二次注浆工艺，第二次为注浆压力不小于2.0MPa的高压注浆。结合工程实际，此次研究中采用如下锚杆单元参数：弹性模量255GPa；抗拉强度3000kN；横截面积0.00062m2；水泥浆剪切刚度130GPa；水泥浆黏结力14N/m；水泥浆外圈周长0.35m。有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

1.3 模拟工况

为了评价聚丙烯纤维混凝土框格梁加固土石坝边坡的工程效果，模拟试验设置了两种不同的工况。其中，工况1为一般工况，该工况仅考虑大坝自重应力；工况2为饱和工况，主要考虑大坝自重+地下水+暴雨。

2 计算结果与分析

2.1 位移分析

利用上节构建的三维有限元元模型对无加固措施、聚丙烯纤维混凝土框格梁和钢筋混凝土框格梁加固条件下的大坝背水坡位移进行模拟计算，从计算结果中提取水平位移、竖向位移和总位移最大值，结果见表2。

表2 各向位移最大值计算结果 单位：mm

由表2中的结果可以看出，在无加固条件下，工况1和工况2的竖向位移、水平位移和总位移的最大位移量均较大，说明对大坝背水坡采取加固措施极为必要，并且可以在限制大坝位移变形方面发挥良好的工程价值。以总位移为例，在工况1条件下，采用聚丙烯纤维混凝土框格梁和钢筋混凝土框格梁加固的总位移最大值分别为1.24、1.22mm，与无加固条件下13.5mm的总位移最大值相比，分别减小了约90.8%和90.9%，发挥了显著的位移变形控制作用。从2种不同的加固方案对比来看，聚丙烯纤维混凝土框格梁的水平位移、竖向位移和总位移相对较大，但是和钢筋混凝土框格梁加固方式的位移量最大值比较接近。仍以总位移为例，在工况1条件下，聚丙烯纤维混凝土框格梁的总位移为1.24mm，与钢筋混凝土框格梁加固方式相比增加约1.64%；在工况2条件下，聚丙烯纤维混凝土框格梁的总位移为6.44mm，与钢筋混凝土框格梁加固方式相比增加约1.86%。由此可见，采用聚丙烯纤维混凝土框格梁可以取得相近的位移控制效果。

2.2 应力应变分析

利用上节构建的三维有限元元模型对无加固措施、聚丙烯纤维混凝土框格梁和钢筋混凝土框格梁加固条件下的大坝背水坡水平应力和剪应变进行模拟计算，从计算结果中提取水平应力和剪应变最大值，结果见表3。

表3 水平应力、剪应变最大值计算结果

由表3中的结果可以看出，采取加固措施与无加固措施相比，水平应力和剪应变的最大值明显减小，说明对大坝背水坡采取加固措施可以有效控制坡面内部的水平应力和剪应变，对保持大坝背水坡安全稳定具有重要价值。从2种不同的加固措施对比来看，其对水平应力和剪应变的控制效果基本相同，这说明用聚丙烯纤维混凝土框格梁可以获得与钢筋混凝土框格梁基本相同的加固效果。

2.3 稳定性分析

利用上节构建的三维有限元元模型对无加固措施、聚丙烯纤维混凝土框格梁和钢筋混凝土框格梁加固条件下的大坝背水坡完全稳定性系数进行模拟计算，结果见表4。

表4 安全稳定性系数计算结果

由表4中的结果可以看出，在工况1无加固措施条件下，坝坡的安全稳定性系数为1.122，处于稳定状态，在工况2无加固措施条件下，坝坡的安全稳定性系数为0.992，存在一定的失稳危险。因此需要对坝坡采取加固措施，保证极端不利工况下的坝坡安全稳定。在采取加固措施之后，坝坡的安全稳定系数大幅提升，且2种加固方式的安全稳定系数计算结果比较接近，说明采取聚丙烯纤维混凝土框格梁可以获得与钢筋混凝土框格梁基本相同的加固效果。

3 结论

此次研究以某土石坝为工程背景，通过数值模拟的方式探讨了聚丙烯纤维混凝土框格梁的加固效果和工程价值，获得的结论如下。

(1)无加固措施条件下，坝坡的位移量、水平应力、剪应变值较大，安全稳定性系数较低，存在失稳危险，需要进行加固。

(2)采取加固措施之后，坝坡的位移量、水平应力、剪应变值大幅减小，安全稳定性系数显著增大，加固效果良好。

(3)2种加固措施相比，聚丙烯纤维混凝土框格梁的加固效果和钢筋混凝土框格梁基本相当，可以在工程设计建设中采用。