混凝土防渗墙内力及变形影响因素分析

邱曾浩

(中铁水利水电规划设计集团有限公司,南昌 330029)

1 概 述

水库大坝的防渗问题关系着土石坝的安全运营。针对混凝土防渗墙的内力及变形影响因素,许多学者进行了相关研究。孙明权等[1]采用结构力学理论,系统研究了影响混凝土防渗墙内力及变形的因素。结果表明,墙端约束形式、基岩强度以及坝体材料都会对混凝土防渗墙墙体位移和应力产生影响,其中材料参数是影响防渗墙变形的主要原因。谢江松等[2]基于数值分析算法,系统研究了石坝防渗墙内力与变形特性。结果表明,在蓄水工况下,防渗墙上下游侧水平应力均为压应力,且随着深度的增加而增加。此外,基于数值计算结果,可对防渗墙进行配筋验算。周健等[3]基于Autobank数值计算软件,系统研究了土石坝加固工程中的防渗墙应力变形。结果表明,渗流是导致混凝土防渗墙下部背水侧产生拉应力的主要影响因子。任翔等[4]基于Biot固结理论,研究了土石坝超深混凝土防渗墙变形与受力机理。结果表明,库水位波动对防渗墙的内力及变形影响较小。此外,非直线型大坝拐弯处的混凝土防渗墙,底部墙体应力会增大,实际工程中应进行加固。余翔等[5]基于三维数值有限元,研究了混凝土防渗墙变形与应力分布特性。结果表明,防渗墙岸坡附近的弯曲变形在满蓄水位工况下最大,墙体下游侧岸坡附近受到拉应力,且墙体下游侧拉应力与下游墙面夹角为30°。

目前,在土石坝相关分析中,多数研究都是针对单一刚度的防渗墙进行的。因此,本文在前人研究的基础上,建立数值计算模型,系统分析防渗墙变形影响因素。研究成果可为防渗墙的设计及其优化设计提供参考。

2 工程概况与数值模型

本文研究的土石坝坝高43m,顶宽4m。防渗墙采用封闭式防渗墙,覆盖层厚度60m。钻孔资料显示,由上到下可分为4种不同土质,最底层为弱风化基岩层。最终建立的数值计算模型网格总数为3 201个,节点数为4 268个。大坝典型断面见图1。

为了研究防渗墙力学性能差异,根据坝体典型剖面,建立数值计算模型。其中,顺河流方向设为X轴,高度方向为Z轴。防渗墙混凝土采用C20混凝土,混凝土弹性模量28GPa,基岩的弹性模量20GPa,泊松比均为0.21。覆盖层以及灌浆区材料均采用Duncan-Chang本构模型,混凝土材料采用均值线弹性模型。此外,闸底板与覆盖层增加Goodman接触面单元,接触面单元参数取值为K1=2 500,n=0.667,Rf=0.76,α=38°。其他材料的力学参数见表1。表1中,K为模量参数;n为无量纲指数;Rf为破坏比系数;m为体积模量指数。

图1 大坝典型剖面图

计算时,考虑防渗墙厚度为1m,分别选取空接头和刚性结构两种工况进行计算。

表1 材料物理力学参数汇总

3 结果与分析

3.1 结构型式对防渗墙内力及变形的影响

防渗墙不同厚度工况对防渗墙最大主应力及水平位移的影响见图2。由图2(a)可知,相同厚度防渗墙情况下,防渗墙的最大主应力随着高程的增大而减小;相同工况下,防渗墙的最大主应力随着厚度的减小而增大。当防渗墙厚度为0.6m时,对应的最大主应力位于墙底位置,最大值为59MPa;当防渗墙厚度为1.0m时,对应的最大主应力位于墙底位置,最大值为16MPa;当防渗墙厚度为1.4m时,对应的最大主应力位于墙底位置,最大值为40MPa。此外,防渗墙最大主应力在地层变化处发生突变,主要是由于材料变化导致产生的应力集中造成的。由图2(b)可知,防渗墙的水平位移随着高度的增大而增大,最大位移发生在墙顶位置处;防渗墙的水平位移随着防渗墙厚度的减小而增大,防渗墙厚度对防渗墙的水平位移影响不显著。总体来看,在其他条件不变的情况下,增大防渗墙厚度可显著减小墙体的最大主应力,但不能明显减小防渗墙的位移。

图2 防渗墙厚度对主应力和位移的影响

防渗墙与坝体的接头型式(硬接头和空接头)对墙体的最大主应力和水平位移的影响见图3。由图3(a)可知,对于刚性接头和空接头而言,随着高程的增大,防渗墙最大主应力逐渐减小。在其他条件不变的情况下,刚性接头的最大主应力要略大于空接头。其主要原因是由于刚性结构是防渗墙和盖板采用刚性连接,而空接头是两者之间留有足够大的空间,导致顶部受到的约束较小,缓解了防渗墙的最大主应力。其中,刚性接头最大主应力值为8 500MPa,而空接头最大主应力值为8 400MPa。总体来看,两种接头形式对墙体的最大主应力影响不显著。由图3(b)可知,对于刚性接头和空接头而言,随着高程的增大,防渗墙的水平位移增大。但在高程为1 860m时,位移出现了突变,可能是由于材料变化所引起的。总体来看,两种接头形式对墙体的最大位移影响不显著,两种接头形式的最大位移为180mm。

图3 结构类型对主应力和位移的影响

3.2 材料参数对防渗墙内力及变形的影响

混凝土弹性模量对防渗墙蓄水期最大主应力和水平位移的影响见图4。由图4(a)可知,其他条件不变的情况下,防渗墙最大主应力随着混凝土弹性模量的增大而增大,相对于接头形式对防渗墙最大主应力的影响,降低混凝土弹性模量能够显著减小防渗墙的最大主应力。当弹性模量为28GPa时,对应的最大主应力值为60MPa;当弹性模量为10GPa时,对应的最大主应力值为55MPa;当弹性模量为5GPa时,对应的最大主应力值为51MPa;当弹性模量为2GPa时,对应的最大主应力值为48MPa;当弹性模量为1GPa时,对应的最大主应力值为46MPa;当弹性模量为0.6GPa时,对应的最大主应力值为45MPa。显然,随着混凝土强度的减小,当弹性模量减小到一定程度时,对墙体的最大主应力的影响越来越小。由图4(b)可知,防渗墙的最大水平位移在不同弹性模量下基本相同,表明混凝土弹性模量对墙体的位移影响不显著。实际上,墙体的水平位移受覆盖层物理性质影响最大。

图4 混凝土弹模对防渗墙蓄水期最大主应力和水平位移的影响

为了研究不同覆盖层与防渗墙接触时对墙体的最大主应力和水平位移的影响,本文计算了4种不同工况:工况1为所有覆盖层均为表1中的(1)类材料;工况2为所有覆盖层均为表1中的(2)类材料;工况3为所有覆盖层均为表1中的(3)类材料;工况4为所有覆盖层均为表1中的(4)类材料。

覆盖层属性对防渗墙最大主应力的影响见图5。由图5可知,在覆盖层强度从大到小依次为(4)至(1)情况下,防渗墙的最大主应力由大到小顺序为(4)、(2)、(1)和(3)。其中,方案4工况下,对应的墙体最大主应力为30MPa;方案3工况下,对应的墙体最大主应力为55MPa;方案2工况下,对应的墙体最大主应力为35MPa;方案1工况下,对应的墙体最大主应力为45MPa。表明覆盖层材料越好,对防渗墙变形约束作用越强,防渗墙稳定性越高。

4 结 论

本文采用数值模拟,研究了混凝土防渗墙内力及变形影响因素,系统分析了接头型式及材料参数对防渗墙内力及变形的影响。结论如下:

1)防渗墙的最大主应力随着高程的增大而减小;防渗墙的水平位移随着防渗墙厚度的减小而增大。总体来看,在其他条件不变的情况下,增大防渗墙厚度可显著减小墙体的最大主应力,但不能明显地减小防渗墙的位移。

2)对于刚性接头和空接头而言,随着高程的增大,防渗墙最大主应力逐渐减小。在其他条件不变的情况下,刚性接头的最大主应力要略大于空接头。此外,两种接头形式对墙体的最大位移影响不显著,两种接头形式的最大位移为180mm。

3)防渗墙最大主应力随着混凝土弹性模量的增大而增大,而防渗墙的最大水平位移在不同弹性模量下基本相同,表明混凝土弹性模量对墙体的位移影响不显著。此外,覆盖层材料越好,对防渗墙变形约束作用越强,防渗墙稳定性越高。