混凝土防渗墙刚度对墙体内力及变形影响研究

夏伟才，夏 晔

(1.水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310000；2.水利部农村水电工程技术研究中心，浙江 杭州 310000)

防渗墙是大坝水利工程中重要的防渗措施。防渗墙根据其弹性模量的差异可分为刚性防渗墙和塑性防渗墙两种。其中刚性防渗墙具有刚度大抗变形能力强的优点，但对于与坝体的协同变形方面较差。而塑性防渗墙刚度较小，但可以与大坝协调变形从而避免较大的应力集中。陈强和王珂[1]基于数值模拟系统的研究了防渗墙弹性模量差异对防渗墙内力及变形的影响。结果表明，随着弹性模量的增大，防渗墙的最大压应力随弹性模量的增大而增大，其中最大压应力出现在防渗墙底部。此外，较小的弹性模量对于大坝的正常运营比较有利，但实际工程中，防渗墙的弹性模量不得小于5MPa。马晓华等[2]基于Adina中多孔介质材料模型系统的研究了坝体土体和防渗墙模量变化对防渗墙应力变形的影响。结果表明，当防渗墙的弹模小于5GP时，墙体应力随防渗墙弹性模量的变化不敏感。反之，墙体的应力分布较敏感。黄晓[3]采用室内土工试验系统的研究水工防渗墙塑性混凝土强度影响因素。结果表明，水泥最佳掺量为160～180kg/m3，黏土的掺量应大于65kg/m3，在满足混凝土塑性变形性能的情况下，应适当减小膨润土的掺量。王正成等[4]基于数值模拟研究了深厚覆盖层弱透水层对防渗墙防渗效果的影响。结果表明，板封闭式的防渗墙可以有效减小坝基渗流及坝基出逸坡降。实际工程中，防渗墙和弱透水层联合防渗能显著提高垂直防渗墙的控渗效果。李续楠等[6]基于三维有限元法分析了红粘土塑性混凝土防渗墙的应力变形规律。结果表明，防渗墙的应力应变均在合理范围内，大部分顺河向变形协调性较好且防渗效果显著。

本文建立数值计算模型，系统的研究了混凝土防渗墙弹性模量的差异对防渗墙内力及变形的影响。研究结果可为大坝防渗墙的设计及加固提供参考。

1 工程概况与数值模型

某水库坝体覆盖层透水坝基高达50m。坝基覆盖层采用混凝土防渗墙进行处理。设计防渗墙厚度为0.5m，深度为48m。坝体结构采用黏土填筑，高度约为7.0m。设计水位为48m。模型典型剖面如图1所示。

图1 大坝典型剖面图

选取典型断面进行建模分析。防渗墙及大坝填筑采用分层施工。模型的临水侧为水头边界，背水侧及提及侧为逸出边界。模型四周约束水平方向的位移。底部越散3个方向的位移。加载前采用地应力平衡进行处理。模型网格采用8节点6单元网格。为了模拟防渗墙和岩土体的接触，本文在两者之间设置了Goodman接触单元。最终模型的网格总数为32100个，节点单元为33258个。模型方向为假定河水流向为x轴，与河水流向垂直的为y轴。防渗墙以及岩土体本构为邓肯-张模型。考虑灌浆帷幕与排水棱体接触面积较小，因此建模和计算中忽略了该部分。计算模型中材料参数见表1。

表1 材料物理力学参数汇总

通常防渗墙混凝土的弹性模量对墙体的内力及变形有很大的影响。比如，弹性模量过大的刚性防渗墙虽然能有较大的刚度，但是和大坝的协调变形能力较差。而弹性模量较小的混凝土，刚度相对较小，但是变形能力较好。为了充分研究混凝土弹性模量的差异性对墙体内力及变形的影响。本文分别计算了4种不同的混凝土弹性模量的结果。分别为28GPa和20GPa的刚性混凝土防渗墙，1.5GPa和0.5GPa的塑性混凝土防渗墙。

2 结果与分析

2.1 防渗墙变形规律

图2汇总的到不同弹性模量混凝土防渗墙在蓄水期间的变形规律。图2(a)结果表明，防渗墙的水平位移随高程的增大而水平位移逐渐增大，但当墙的高程在10m以下时，水平位移增大趋势不明显，当防渗墙高程大于10m时，抢的变形速率迅速增大。总体来看，混凝土弹性模量对墙体的水平位移影响不显著，最大差异仅为0.28cm。其中墙的最大水平位移发生在墙顶位置，最大值约为53mm。而墙底由于受到强约束作用，位移基本为零。混凝土弹性模量对墙体的水平位移影响不显著的原因主要是由于覆盖层变形受上覆填土荷载影响导致的。图2(b)结果表明，防渗墙弹性模量对墙体的竖向变形影响比较显著。其中，刚性防渗墙的竖向位移随高程基本不变，且变形基本为0，而塑性混凝土墙随高程的增大而显著增大。墙体弹性模量越小，变形越显著。其中弹性模量为1.5GPa时，墙体的最大位移为墙顶的20mm，弹性模量为0.5GPa时，墙体的最大位移为墙顶的37mm。

图2 防渗墙变形规律

2.2 防渗墙内力分析

图3汇总得到了蓄水前后防渗墙在最大和最小主应力分布规律。图3(a)结果表明，蓄水前墙体最大主应力随高程增大而呈减小趋势。但在高程介于0～15m范围内，应力分布有所波动。总体来看，混凝土弹性模量对墙体最大主应力的分布规律影响不显著。在墙顶位置出现较小的拉应力。其中最大压应力为墙底的0.5MPa，墙顶位置处最大值为-0.1MPa。

图3 塑性防渗墙主应力分布

图3(b)结果表明，相同弹性模量下，蓄水前墙体最小主应力随高程增大而呈减小趋势。但在高程介于0～15m范围内，应力分布有所波动。总体来看，混凝土弹性模量对墙体最小主应力的分布规律影响较明显。其他条件不变的情况下，墙体弹性模量越大最小主应力越大。当混凝土弹性模量为0.5GPa时，墙体的最小主应力为-0.75MPa，当混凝土弹性模量为1.5GPa时，墙体的最小主应力为-1.0MPa，当混凝土弹性模量为20GPa时，墙体的最小主应力为-2.9MPa，当混凝土弹性模量为28GPa时，墙体的最小主应力为-3.1MPa。可以看到，防渗墙主要承受压应力，并且刚性墙承受的压应力远超塑性墙，拉应力受墙体弹性模量的响较小。

图3(c)蓄水后墙体最大主应力随高程的分布规律。结果表明，蓄水后墙体的最大主应力变化规律性较差。其中最大主应力和最小主应力在墙底与基岩交界面出现突变。最大主应力出现在墙体与基岩交界位置处，最大值为混凝土弹性模量为28GPa的4.5MPa，当混凝土弹性模量为20GPa的3MPa。

图3(d)蓄水后墙体最小主应力随高程的分布规律。结果表明，蓄水后墙体的最小主应力变化规律性较差。其中最小主应力在墙底与基岩交界面出现突变。最小主应力出现在墙体与基岩交界位置处，最大值为混凝土弹性模量为28GPa的-6.5MPa，当混凝土弹性模量为20GPa的5.0MPa。显然，蓄水后当弹性模量大于20GPa时，拉应力出现了大于混凝土极限抗拉强度的情况，存在一定的危险性。

综合以上分析，防渗墙在受力后类似于悬臂墙，墙体的最大拉压应力在混凝土弹性模量较小时，随模量增大而增大；但对于刚性墙而言，刚性墙应力受弹性模量影响显著，应力值远超塑性墙。此外，蓄水后基岩与墙体交界面出现较大的应力集中，对墙体的稳定性是不利的。因此，混凝土弹模越大，墙体应力越大。实际工程中，防渗墙的弹性模量应尽量的与覆盖层的弹性模量接近，两者有较好的协调变形能力[6]。

3 结语

本文采用数值模拟的方法研究了不同工况下混凝土防渗墙内力及变形。分析了防渗墙弹性模量对墙体的内力及变形影响，得到如下结论：

(1)混凝土弹性模量对墙体的水平位移影响不显著。防渗墙的最大水平位移发生在墙顶位置，最大值约为53mm；防渗墙弹性模量对墙体的竖向变形影响比较显著。

(2)防渗墙的竖向位移随高程的增大而增大。墙体弹性模量越小，变形越显著。其中弹性模量为1.5GPa时，墙顶的最大位移为20mm，弹性模量为0.5GPa时，墙顶的最大位移为37mm。

(3)墙体的最大拉压应力在混凝土弹性模量较小时，随模量增大而增大。实际工程中，适当增大防渗墙的弹性模量，提高与坝体变形协调能力。