防渗墙弹性模量及坝高对墙体力学特征影响分析

陈 淼

(济南市水利工程服务中心,济南 250103)

1 概 述

水利水电工程中,根据弹性模量的差异,防渗墙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。

针对不同刚度的混凝土防渗墙,许多学者开展了相关研究。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、基岩强度及坝体材料均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。蒋凯乐等[2]基于原位试验及数值模拟,系统研究了塑性混凝土防渗墙土反力系数的计算方法。结果表明,提出的计算方法可以准确反演塑性混凝土防渗墙土压力系数,并在实际工程中得到验证。高江林[3]综合采用模型试验和数值模拟,分析了防渗墙与坝体相互作用。结果表明,刚性混凝土墙主要承受拉应力,而塑性混凝土防渗墙主要承受压应力;坝体的填筑材料、坝基透水性能及基岩强度等因素对刚性混凝土墙的应力影响明显,相较于塑性混凝土防渗墙影响更为显著。马晓华等[4]基于Adina中多孔介质材料模型,系统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5GPa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。吴为健等[5]基于室内试验,研究了影响塑性混凝土防渗墙渗透系数的因素。结果表明,随着水胶比的增大,塑性混凝土的渗透系数逐渐增大,而随着膨润土掺量的增大而减小。当砂率由70%增大至90%时,塑性混凝土的渗透系数会有一定程度的增大。

本文建立数值计算模型,系统研究塑性混凝土防渗墙在不同蓄水工况下的内力和变形规律。研究结果可为大坝防渗墙的设计及加固提供参考。

2 工程概况与数值模型

2.1 工程概况

本文研究的坝体为典型的黏土心墙砂壳坝,最大坝高35m,坝宽10m,大坝底部宽度120m。根据钻孔资料揭示,岩土体由上至下分别为卵石层、砾石土层和弱风化粉砂岩基岩层。根据现场调查表明,由于大坝运营时间较长,现场存在不少安全隐患,如大坝局部有明显开裂。为了保证水库大坝的安全运营,拟采用塑性混凝土防渗墙进行加固处理。其中,防渗墙厚度0.8m。大坝典型断面见图1。

图1 大坝典型剖面图

2.2 数值模型与计算参数

本文采用数值计算软件,并选取典型断面进行建模分析。考虑结构力学特征,采用平面应变进行计算。网格采用4节点等参单元,整个模型的网格总数32 230,节点个数42 610。计算中,首先进行地应力平衡,然后施加施工水位下的荷载作为初始应力场。模型四周约束水平方向的位移,底部约束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相互接触作用,在两者交界面位置增加Goodman接触单元。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。数值模型计算中,岩土体材料均采用邓肯-张模型,防渗墙和基岩层由于变形较小,因此采用线弹性本构模型。材料物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数汇总

3 结果与分析

3.1 正常水位下防渗墙的内力及变形

正常蓄水位下防渗墙内力及变形分布规律见图2。由图2(a)可知,墙体的水平位移随着高程的增大而先增大后减小。受水压力及墙厚支撑条件的限制,防渗墙在高程15m位置处的水平位移达到最大,最大值为5.7mm。总体来看,墙体变形较小,稳定性较高。由图2(b)可知,墙体的水平位移受混凝土弹性模量的影响非常小。不同弹性模量下墙体的变形基本相同,最大变形处为15m位置,最大值为5.7mm。

图2 正常蓄水位下防渗墙内力及变形

3.2 不同弹模下防渗墙的应力和变形

正常蓄水位工况下,混凝土弹性模量对防渗墙上下游主应力影响规律见图3。由图3(a)可知,在正常蓄水位工况下,上游面最大主应力随着高程的增大而先增大后减小;在相同高程下,混凝土弹性模量越大,最大主应力越大。当混凝土弹性模量小于5GPa时,最大主应力增长速率明显小于混凝土弹性模量大于5GPa时的增长速率,且出现较明显的拉应力。但总体来讲,最大拉应力小于混凝土极限抗拉强度。由图3(b)可知,在正常蓄水位工况下,下游面最小主应力随着高程的增大而先增大后减小;在相同高程下,混凝土弹性模量越大,最小主应力越大。当混凝土弹性模量小于5GPa时,最小主应力增长速率明显小于混凝土弹性模量大于5GPa时的增长速。

图3 正常蓄水位下混凝土弹性模量对防渗墙上下游主应力影响规律

校核水位工况下,混凝土弹性模量对防渗墙上下游主应力影响规律见图4。由图4(a)可知,在校核水位工况下,上游面最大主应力随着高程的增大而先增大后减小;在相同高程下,混凝土弹性模量越大,最大主应力越大。当混凝土弹性模量小于5GPa时,最大主应力增长速率明显小于混凝土弹性模量大于5GPa时的增长速率。由图4(b)可知,在校核水位工况下,下游面最小主应力随着高程的增大而先增大后减小;在相同高程下,混凝土弹性模量越大,最小主应力越大。当混凝土弹性模量小于5GPa时,最小主应力增长速率明显小于混凝土弹性模量大于5GPa时的增长速。总体来说,混凝土弹性模量5GPa时,属于临界值。当小于该值时,防渗墙的应力状态变化不显著;当大于该临界值时,防渗墙的应力状态显著发生改变。

图4 校核水位下混凝土弹性模量对防渗墙上下游主应力影响规律

根据图3、图4的结果分析可知,混凝土弹性模量5GPa时,属于临界值。当小于该临界值时,防渗墙的应力状态变化不显著;当大于该临界值时,防渗墙的应力状态显著发生改变。混凝土刚度过大,一方面可以提高防渗墙墙体强度,但也会导致局部出现受拉区。实际工程中,应根据工程地质条件及坝型等,综合选用防渗墙的弹性模量。

3.3 坝高与弹性模量对防渗墙内力及变形的影响

混凝土弹性模量分别为1、2、5和10GPa以及大坝高度为20和50m工况下,防渗墙上下游的内力与变形特征见表2。由表2可知,不同坝高对应的不同强度混凝土,均可以满足规范规定的安全性要求。根据分析可知,坝体越高,可尽量选择弹性模量越小的混凝土;坝体越低,可选择弹性模量较大的混凝土。根据工程经验,当大坝高度小于20m时,混凝土弹性模量可选用小于6GPa;当大坝高度大于50m时,混凝土弹性模量应尽量小于5GPa。

表2 弹性模量和坝高对防渗墙内力及变形影响

4 结 论

本文采用数值模拟,系统研究了混凝土防渗墙在不同蓄水工况下,混凝土弹性模量对防渗墙的内力和变形影响规律。结论如下:

1)墙体的水平位移随着高程的增大而先增大后减小;墙体的水平位移受混凝土弹性模量的影响非常小。不同弹性模量下墙体的变形基本相同,最大变形处为15m位置,最大值为5.7mm。

2)混凝土弹性模量5GPa时,属于临界值。当小于该临界值时,防渗墙的应力状态变化不显著;当大于该临界值时,防渗墙的应力状态显著发生改变。混凝土刚度过大,一方面可以提高防渗墙墙体强度,但也会导致局部出现受拉区。实际工程中,应根据工程地质条件及坝型等,综合选用防渗墙的弹性模量。

3)坝体越高,应选择弹性模量较小的混凝土;坝体越低,可选择弹性模量较大的混凝土。根据工程经验,当大坝高度小于20m时,混凝土弹性模量可选用小于6GPa;当大坝高度大于50m时,混凝土弹性模量应尽量小于5GPa。