堆石壩用土工膜錨固部位布設(shè)形式優(yōu)化設(shè)計

蘇亮

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長沙市 410131）

引言

我國從20世紀(jì)80年代開始，在巖土和水利工程中開始應(yīng)用土工膜作為主要防滲材料。土工膜具有防滲性能好、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、施工周期短及造價低等優(yōu)點(diǎn)[1]。伴隨著科技的進(jìn)步與工程建設(shè)的需要，混凝土防滲墻與土工膜聯(lián)合防滲作為一種新型的防滲體系在堆石壩工程中得到了廣泛的應(yīng)用[2～3]。

防滲體系作為堆石壩工程的核心部位，在工程應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[4～7]。而在工程實(shí)際中，防滲墻與土工膜在錨固部位（圖1），往往由于二者的差異沉降或不平衡位移，出現(xiàn)常見的“夾具效應(yīng)”，從而導(dǎo)致土工膜在錨固部位附近發(fā)生拉伸破壞而滲漏，進(jìn)而影響整體工程的安全應(yīng)用。因此，很有必要針對土工膜與防滲墻錨固部位膜的布設(shè)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以確保堆石壩中防滲墻與土工膜聯(lián)合防滲體系的安全運(yùn)行。

圖1 防滲墻與土工膜錨固部位示意圖

1 優(yōu)化設(shè)計方案及布設(shè)原則

1.1 布設(shè)原則

在傳統(tǒng)的堆石壩膜防滲工程中，土工膜與防滲墻在錨固部位采用水平布設(shè)的方式（方案1），如圖2所示，土工膜直接錨固在防滲墻的頂部，然后沿壩基的延伸方向水平鋪設(shè)。這是一種常規(guī)的布設(shè)方式，壩體在運(yùn)行過程中壩基和混凝土防滲墻之間往往會發(fā)生較大的差異沉降，尤其對深覆蓋層上的壩體而言這種差異變形更大，土工膜在錨固端部極小部位往往由于這種差異沉降作用發(fā)生拉伸變形，乃至拉伸破壞，一些學(xué)者稱這一現(xiàn)象為土工膜的“夾具效應(yīng)”。

圖2 土工膜錨固區(qū)常規(guī)布設(shè)方案

針對堆石壩防滲工程中土工膜錨固端部的“夾具效應(yīng)”問題，工程設(shè)計人員提出了在土工膜錨固部位采用伸縮節(jié)式的土工膜鋪設(shè)方法，并給出了兩種Z字形的土工膜布設(shè)方案2、方案3（圖3）。這兩種方案在以往的工程中曾被采用，但是目前針對這種伸縮節(jié)的布設(shè)方式仍然存在一些爭議，認(rèn)為該方案不能解決土工膜在錨固端的“夾具效應(yīng)”問題。筆者認(rèn)為在防滲墻錨固區(qū)域土工膜的布設(shè)應(yīng)滿足兩個原則：第一，伸縮節(jié)的布設(shè)應(yīng)該能夠適應(yīng)在壩體運(yùn)行中防滲墻與其附近壩基之間的不均勻沉降；第二，土工膜錨固區(qū)域的伸縮節(jié)在壩基與防滲墻之間發(fā)生差異沉降的同時，能夠順利打開，且能保證該區(qū)域的土工膜處于冗余或者小變形狀態(tài)。

圖3 “Z”字形土工膜布設(shè)方案

1.2 優(yōu)化設(shè)計方案

由于堆石壩工程中，混凝土方向防滲墻由于材料剛度較大在水荷載的作用下沉降量較小，而土工膜覆蓋部位的壩基土體材料沉降量相對較大，結(jié)合上述兩個布設(shè)原則，筆者從理論可行的角度提出了以下幾種土工膜錨固端布設(shè)方案，如圖4所示，先分述如下：方案4為一種上折線形布設(shè)方式，土工膜在錨固部位的端部向上折起，以此適應(yīng)錨固部位近端的不均勻沉降；方案5為一種上折波形的布設(shè)方式，這種波浪形的布設(shè)方式旨在緩沖結(jié)構(gòu)差異沉降的同時，能夠使波浪跟隨壩基沉降不斷展開，以使土工膜有較多的冗余量，避免發(fā)生拉伸破壞；方案6為上梯形的布設(shè)方式，該種方式在錨固區(qū)域初始的折線位置添加了一個水平段然后又折下，旨在將差異沉降局限在距錨固區(qū)域相對較小的范圍內(nèi)；方案7為向上的正三角布設(shè)形式，該種方式與上一方案相同，目的是為了進(jìn)一步縮小伸縮節(jié)的布設(shè)區(qū)域，減少對后面土工膜的影響。

圖4 錨固區(qū)域優(yōu)化設(shè)計方案

2 布設(shè)方案對比分析

為了驗(yàn)證常規(guī)土工膜鋪設(shè)方式中“夾具效應(yīng)”的存在，并探究Z字形伸縮節(jié)及筆者提出的錨固區(qū)域土工膜布設(shè)方案，在緩解土工膜錨固端“夾具效應(yīng)”中的有效性，筆者借助二維有限元數(shù)值計算軟件，對上述三種方案進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，以探究土工膜在不同狀態(tài)下的力學(xué)特性和變形情況。

2.1 數(shù)值模擬

數(shù)值計算中選取土工膜錨固區(qū)域的部位進(jìn)行分析，所選結(jié)構(gòu)區(qū)域如圖5所示，將區(qū)域二維有限元模型劃分為5個部分，即保護(hù)層、土工膜、墊層、下層土體、混凝土防滲墻。其中，混凝土材料采用線彈性本構(gòu)模型，保護(hù)層、墊層、及下層土體均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，土工膜采用線彈性本構(gòu)模型。同時，為了直觀地定性分析土工膜錨固區(qū)域膜材料的變形情況，筆者在數(shù)值計算過程中，對土工膜一層采用常用的等效計算的方法，即增大材料厚度的同時降低材料的彈性模量。

圖5 數(shù)值計算區(qū)域分區(qū)圖

數(shù)值計算過程中，在模型的右側(cè)施加橫向和縱向固定約束，在模型底部施加橫向和縱向固定約束，在模型左側(cè)施加橫向固定約束，縱向自由約束，在模型頂部距離混凝土防滲墻m的范圍內(nèi)施加50m水荷載，用于模擬壩體運(yùn)行過程中材料頂部的水荷載作用。整個計算過程只進(jìn)行靜力分析，不考慮工程的滲流等因素。經(jīng)過數(shù)值計算后得到土工膜錨固區(qū)域不同布設(shè)方案在相同荷載作用下變形后的效果圖如圖6～圖9。

圖6 方案1數(shù)值計算結(jié)果圖

圖7 方案2、方案3數(shù)值計算結(jié)果圖

圖8 方案4、方案5數(shù)值計算結(jié)果圖

圖9 方案6、方案7數(shù)值計算結(jié)果圖

通過上述計算結(jié)果定性的對比分析可知，在方案1中土工膜在錨固區(qū)域發(fā)生了較大的拉伸變形，出現(xiàn)了所謂的“夾具效應(yīng)”，以往工程中采用的方案2、方案3中，所布設(shè)的這種Z字形的伸縮節(jié)并沒有由于不均勻沉降打開，而是在上部水荷載的作用下被擠壓在了一起，“夾具效應(yīng)”同樣存在，而筆者提出的方案4～7中，土工膜在錨固部位的伸縮節(jié)都在壩體和防滲墻不均勻沉降的作用下順利打開，有效地避免了“夾具效應(yīng)”的發(fā)生。

2.2 指標(biāo)評價

為了對上述各種優(yōu)化方案進(jìn)行有效的量化對比分析，準(zhǔn)確合理地選擇出最優(yōu)的布設(shè)方案，在參考前述兩個主要布設(shè)原則的基礎(chǔ)上，初步擬定了3個評價指標(biāo)，用于描述不同布設(shè)方案在相同荷載條件下土工膜伸縮節(jié)的力學(xué)狀態(tài)，指標(biāo)符號及其說明如附表。附表 優(yōu)化指標(biāo)計算公式及說明

?

上述3個指標(biāo)中，指標(biāo)X1能夠?qū)?yīng)土工膜錨固區(qū)域布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的兩個重要準(zhǔn)則，作為評價錨固區(qū)域土工膜變形量的主要因素，在各種方案的對比分析中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。根據(jù)有限元軟件的數(shù)值計算結(jié)果，通過數(shù)據(jù)處理分析可得不同方案的土工膜應(yīng)變率指標(biāo)X1的值（圖10）。

圖10 指標(biāo)X1柱狀圖

由圖10中數(shù)據(jù)可知，方案1中土工膜發(fā)生拉伸應(yīng)變，應(yīng)變率為2.94%，在錨固區(qū)的微小區(qū)域內(nèi)存在“夾具效應(yīng)”；方案2和方案3同樣發(fā)生了拉伸應(yīng)變，應(yīng)變率分別為5.6%和4.82%，這種Z字形布設(shè)方式在局部的拉伸應(yīng)變較常規(guī)的布設(shè)方式拉伸應(yīng)變增大很多；由圖中數(shù)據(jù)可以看出，方案4、方案5、方案6、方案7在相同荷載條件下的應(yīng)變率為負(fù)值，這說明對應(yīng)方案的土工膜伸縮節(jié)不但沒有發(fā)生拉伸變形，反而還受到擠壓作用產(chǎn)生部分的冗余，我們暫且稱之為“冗余率”，可以看出方案5的冗余率最大，方案6次之，方案4、方案7冗余率最小。

為了進(jìn)一步對比分析土工膜具有冗余的四組方案的優(yōu)劣，通過數(shù)據(jù)處理得到四組方案對應(yīng)的材料大主應(yīng)力最值比指標(biāo)X2和大主應(yīng)變最值比指標(biāo)X3的值如（圖11、圖12）。

圖11 指標(biāo)X2柱狀圖

圖12 指標(biāo)X3柱狀圖

通過圖11、圖12中數(shù)據(jù)可以看出，就指標(biāo)X2而言，方案4、方案5的值相對較大，材料應(yīng)力分布較均勻，方案6、方案7的均勻性相對較差；就指標(biāo)X3而言，方案5、方案7的值相對較大，材料受力后變形越均勻，方案4、方案6的均勻性相對較差。

2.3 目標(biāo)函數(shù)分析

由各指標(biāo)數(shù)據(jù)對比分析可以出，四種新的布設(shè)方案在不同的指標(biāo)方面各有優(yōu)劣，為了全面綜合地評價四組方案的優(yōu)劣，筆者采用自定義目標(biāo)函數(shù)F的方法對各組方案進(jìn)行評價，該目標(biāo)函數(shù)值越大，說明設(shè)計方案越好，相反則越差。目標(biāo)函數(shù)F的具體表達(dá)式為：F=-α1X1+α2X2+α3X3

其中，X1、X2、X3為綜合性評價指標(biāo)，α1、α2、α3為各個指標(biāo)的對應(yīng)權(quán)重，根據(jù)各個指標(biāo)的重要性，各指標(biāo)權(quán)重初步設(shè)定為α1=0.6、α2=0.2、α3=0.3，及指標(biāo)X1較指標(biāo)X2和指標(biāo)X3相對重要一些，指標(biāo)X2和指標(biāo)X3具有同等的重要性，通過數(shù)據(jù)處理可得不同方案在相同荷載條件下的目標(biāo)函數(shù)值如圖13所示。

圖13 目標(biāo)函數(shù)柱狀圖

通過目標(biāo)函數(shù)值F的對比分析可知，方案5、方案7目標(biāo)函數(shù)值分別為0.272和0.259，在4個方案中相對較大，設(shè)計方案較優(yōu)；方案4和方案6目標(biāo)函數(shù)值分別為0.227和0.218，相對較小，設(shè)計方案適應(yīng)性較差。

3 結(jié)論

本文首先討論分析了土工膜防滲堆石壩壩防滲體系中土工膜與防滲墻錨固部位常規(guī)的布設(shè)方法，及其在應(yīng)用過程中容易發(fā)生破壞的具體原因；其次，就防滲墻錨固區(qū)域土工膜的布設(shè)原則進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并從理論可行的角度提出了4種布設(shè)方案；最后，借助有限元軟件對相同荷載條件下不同布設(shè)形式的力學(xué)特性進(jìn)行了對比分析，并通過目標(biāo)函數(shù)的形式進(jìn)行了綜合評價。結(jié)果表明，4種布設(shè)方式均能適應(yīng)防滲墻與土工膜錨固區(qū)域的差異沉降，其中方案5與方案7相對較優(yōu)，方案4與方案6相對較差，這一結(jié)果可供工程實(shí)際與科研提供有效的參考依據(jù)。

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