基于数值模拟的堆石坝防渗墙内力与变形分析

李佳聪

(大连市水利建筑设计院有限公司,辽宁 大连 116100)

1 概 述

混凝土防渗墙是目前大坝防渗体系的主要结构形式。针对混凝土防渗墙的内力及变形规律,许多学者进行了相关研究。包腾飞等[1]基于非线性有限元,系统研究了深厚覆盖层上面板堆石坝的防渗布置最优方式。结果表明,采用单连接板和单防渗墙体系的防渗方案是具有结构简单、造价低的防渗布置方案。温立峰等[2]基于数值分析,研究了深覆盖层上面板堆石坝的防渗墙应力变形规律。结果表明,大坝采用分期填筑的方式,可以有效降低防渗墙的变形,其中防渗墙的贯入深度越大,大坝的安全性越高。邵磊等[3]基于接触面单元,分析了堆石坝心墙内增设加固防渗墙的结构特性。结果表明,水位升降是引起防渗墙变形的主要原因,坝轴线中部防渗墙是薄弱位置,设计时应合理增强。吴梦喜等[4]基于有限元,研究了瀑布沟高心墙堆石坝坝基防渗墙与心墙连接方式。结果表明,实际工程中采用高塑性黏土仅设置于混凝土结构顶部,有利于心墙变形和施工进度。刘奉银等[5]基于数值计算,分析了防渗墙深度对大坝渗流稳定性的影响。结果表明,闭式防渗墙可以有效控制渗流场,并对边坡稳定性的提高具有积极影响。谢兴华等[6]研究了深厚覆盖层坝基防渗墙深度计算方法。结果表明,实际工程中防渗墙深度与覆盖层深度之比为0.7,属于最优深度。沈洪俊等[7]基于渗流理论和复变函数模型,系统研究了堆石坝心墙与防渗墙不同联结方式抗渗性能。结果表明,硬软两种接头方案均满足抗渗性能要求。相对软接头而言,硬结构施工简单,有效抗渗长度较大,而软结构可以更好适应地基不均匀沉降,大大降低心墙和防渗墙的应力集中,实际工程中应针对不同的条件选取。

本文建立数值计算模型,系统研究防渗墙的应力和变形规律。研究成果可为大坝防渗墙的设计及加固提供参考。

2 数值模型

2.1 模型概述

本文研究的土石坝为典型堆石坝,坝顶全长2 045m,正常水位176m,坝顶高程180m。大坝重要性为I级。现场钻孔资料显示,大坝覆盖层主要组成为第四系冲积物,下层为第三系粉砂岩组成。由于大坝级别高,工程量大,因此防渗问题尤为重要。防渗墙采用混凝土防渗墙。

根据大坝的实际情况,建立数值计算模型,模型总长1 600m。为了模拟防渗墙和岩土体的接触,本文在两者之间设置Goodman接触单元。最终模型的网格总数为15 780个,节点单元为18 980个。模型方向为假定河水流向为X轴,与河水流向垂直为Y轴。数值模型中,网格划分均采用四边形单元。岩土体本构为摩尔-库伦模型。模型典型断面图见图1。

图1 大坝典型剖面图

在本研究中,计算工况选取主要有3种:①完建工况,对应坝前水位176m,坝后水位0m;②蓄水工况,坝前水位176m,坝后水位120m;③地震工况,坝前水位176m,坝后水位120m。

2.2 数值计算模型参数

根据室内土工试验并参考相关材料,汇总得到数值计算对应材料的物理力学参数,见表1。

表1 材料物理力学参数汇总

3 结果与分析

3.1 防渗墙变形规律

图2为3种不同工况下防渗墙水平位移分布规律。结果表明,3种工况下,地震工况产生的水平位移最大;蓄水工况次之;完建工况最小。3种工况最大位移发生在深度为0m的位置。在深度为50m位置处,3种计算工况对应的水平位移基本相同,基本为0。表明深度越大,防渗墙对外作用的影响越小,稳定性也越好。其中,地震工况下最大水平位移14cm;蓄水工况下水平位移最大值为12.3cm;完建工况水平位移基本为0。此外,蓄水工况和地震工况下产生的最大水平位移明显大于建成工况。

图2 防渗墙位移变化规律

3.2 防渗墙应力分布规律

图3为防渗墙水平应力随着高度的变化趋势。其中,拉应力为正,压应力为负。结果表明,在3种工况的作用下,防渗墙上下游表面的水平应力分布规律基本相同,均表现出地震工况下水平应力最大;完建工况的水平应力最小;蓄水工况的水平应力介于地震工况和完建工况之间。其中,上表面水平应力在3种工况下对应的最大值分别为0.1、0.48和0.6MPa;下表面水平应力在3种工况下对应的最大值分别为0.05、0.2和0.3MPa,表明地震工况下防渗墙的稳定性最差。总体来看,不同计算工况下,防渗墙上表面的水平应力略大于下表面的水平应力。实际工程中,考虑地震作用时,防渗墙的设计及施工需加强。

图3 防渗墙水平应力分布

图4为防渗墙竖向应力随着高度的变化趋势。结果表明,在3种工况的作用下,防渗墙上下游表面的竖向应力分布规律基本相同,均表现出地震工况下竖向应力最大;完建工况的竖向应力最小;蓄水工况的竖向应力介于地震工况和完建工况之间。其中,上表面竖向应力在3种工况下对应的最大值分别为0.5、1.75和1.85MPa;下表面竖向应力在3种工况下对应的最大值分别为1.8、1.25和1.28MPa。总体来看,不同计算工况下,防渗墙下游侧的竖向应力略大于上游侧的竖向应力。

图4 防渗墙竖向应力分布

综合以上分析可知,在采用分层填筑荷载作用下,坝体对防渗墙的压力是防渗墙产生变形的主要原因。实际工程中,为了减小坝体施工对防渗墙的影响,可考虑在大坝填筑至趾板位置,等坝体和冲击层的沉降变形完成后,再施工防渗墙。

3.3 防渗墙内力变化规律

图5为防渗墙在不同工况下的内力分布规律。结果表明,在不同的工况下,防渗墙均受到压应力。在其他条件不变的情况下,蓄水工况下产生的内力最大;地震工况次之。对于防渗墙轴力而言,在建成工况、蓄水工况及地震工况下,轴力的最大值分别为430、720和600kN;在建成工况、蓄水工况及地震工况下,剪力的最大值分别为100、170和125kN;在建成工况、蓄水工况及地震工况下,弯矩的最大值分别为170、250和320kN·m。

图5 防渗墙内力分布

此外,根据轴力分布来看,在完建工况下,防渗墙轴力的最大值位于墙身1/3处。而在其他两种工况下,轴力的最大值位于防渗墙的中间位置。根据剪力分布来看,在完建工况下,防渗墙剪力的最大值发生在地震工况,而完建工况的剪力最小,且方向相反。当防渗墙在深度为25m位置处,剪力为0。根据防渗墙的弯矩分布情况来看,完建情况下防渗墙在5m位置处弯矩最大,且在下游面受拉应力。而蓄水工况和地震工况下,弯矩方向与完建工况相反。

4 结 论

本文采用数值模拟,对混凝土防渗墙在完建、蓄水和地震工况下的内力和变形规律进行了系统研究,结论如下:

1)地震工况产生的水平位移最大;蓄水工况次之;完建工况最小。其中,地震工况下最大水平位移14cm;蓄水工况下水平位移最大值12.3cm。

2)不同计算工况下,防渗墙上表面的水平应力略大于下表面的水平应力;防渗墙下游侧的竖向应力略大于上游侧的竖向应力。综合来看,考虑地震作用时,防渗墙的设计及施工需加强。

3)在完建工况下,防渗墙轴力的最大值位于墙身1/3处。而在其他两种工况下,轴力的最大值位于防渗墙的中间位置。总体来看,采用数值计算得到的防渗墙的内力和变形,可以用于墙体结构设计参考。