覆蓋層內(nèi)防滲墻應(yīng)力變形影響因素敏感性分析

呂高峰，朱錦杰，王玉潔

(國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州　310014)

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覆蓋層內(nèi)防滲墻應(yīng)力變形影響因素敏感性分析

呂高峰，朱錦杰，王玉潔

(國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州310014)

摘要：防滲墻是處理深覆蓋層最為重要的手段.以西南丹巴工程為例，通過建立有限元網(wǎng)格，對防滲墻厚度、接頭型式和材料參數(shù)等因素進行了敏感性分析.結(jié)論表明：防滲墻墻體越厚，大主應(yīng)力值越??；空接頭能減小接頭附近的大主應(yīng)力；同時防滲墻彈模的降低能夠有效地減小防滲墻大主應(yīng)力；且覆蓋層材料越好，對防滲墻變形的約束作用越強，防滲墻變形就越小，大主應(yīng)力也相應(yīng)越小.

關(guān)鍵詞：覆蓋層；防滲墻；應(yīng)力；變形

0引言

西南地區(qū)是我國現(xiàn)階段和今后一個時期內(nèi)水電開發(fā)的主要區(qū)域.西南地區(qū)河床普遍沉積有深厚覆蓋層，覆蓋層防滲常采用防滲墻措施.防滲墻因具有適應(yīng)地基能力強，施工簡單方便，防滲性能優(yōu)越、經(jīng)濟性高和使用壽命長等優(yōu)點，成為覆蓋層處理的主要手段.防滲墻的應(yīng)力變形對防滲體系具有重要影響，準確合理地模擬防滲墻應(yīng)力變形對防滲墻的設(shè)計、施工和運行具有重要意義.

圖1所示，防滲墻除受自身重力以外，主要的受力來自四個方面：(1)防滲墻上部水工建筑物的壓力；(2)覆蓋層與防滲墻沉降不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的摩擦力和覆蓋層的擠壓力；(3)上下游的水壓力；(4)基巖的頂托約束力(嵌入基巖的防滲墻).

圖1　防滲墻受力示意圖

防滲墻應(yīng)力變形影響的主要因素有如下幾點：(1)結(jié)構(gòu)形態(tài)，包括防滲墻的厚度和接頭型式，防滲墻的厚度一般在0.5～1.5 m之間，常用的接頭型式有空接頭和剛性接頭.(2)材料性質(zhì)，包括防滲墻自身的材料參數(shù)和覆蓋層的材料參數(shù).

1計算理論

在深厚覆蓋層上建壩，覆蓋層中的滲流特性和物理力學(xué)特性在建壩和運行過程中兩者之間相互影響，處于長期變化中，所以有必要考慮滲流場和應(yīng)力場的耦合.

滲流場對應(yīng)力場的影響通過滲透壓力和滲流體積力.根據(jù)已知的在某時刻覆蓋層內(nèi)滲流場水頭分布函數(shù)h(x,y,z)，式(1)就可以求出作用面上的滲透水壓力u.

u=γw(h-z)

(1)

式中，γw是水的容重.

根據(jù)滲透水壓力,經(jīng)式(2)就可以進一步計算得出覆蓋層和壩體所受的滲流體積力f的分布.

(2)

式中：fx、fy、fz分別是滲流體積力f在x、y、z方向上的分力.

應(yīng)力場對滲流場的影響通過土體孔隙率的改變以達到改變滲透系數(shù).計算公式采用A. RIVERRA等人得出的經(jīng)典的孔隙率與滲透系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式(3).

(3)

式中：n0—覆蓋層的初始孔隙率；

εν—覆蓋層的體積應(yīng)變；

k′和k—分別對應(yīng)著覆蓋層孔隙率是n0、n的滲透系數(shù).

2計算模型與方案

2.1計算模型

本文以西南丹巴工程為例，選取閘壩段典型壩段建立有限元模型.閘壩壩高為43 m，閘底板長60 m.閘底板下游設(shè)海漫，上游設(shè)蓋板與防滲墻相接，選用封閉式防滲墻.覆蓋層深度為120 m，覆蓋層由五層材料組成，最上面一層材料在修建壩體的時候被挖除，覆蓋層下面是基巖.為提高覆蓋層的承載能力，減小閘底板的不均勻沉降，對閘室區(qū)域下倒梯形區(qū)域進行開挖回填，并進行固結(jié)灌漿.固結(jié)灌漿下區(qū)域進行旋噴樁處理.圖2為閘壩典型斷面.

圖2　西南丹巴工程閘壩典型剖面

建模區(qū)域在順河向總長620 m，包括壩軸線上240 m到壩軸線下380 m；在高程上包括壩頂高程1 999.5 m到基巖底處1 760高程.閘底板內(nèi)和連接板之間設(shè)置縫單元.單元總數(shù)為2 152，節(jié)點總數(shù)為4 472，網(wǎng)格典型剖面(見圖3).

圖3　西南某工程閘壩有限元網(wǎng)格

覆蓋層土石材料和倒梯形的固結(jié)灌漿區(qū)材料均采用鄧肯張E—B非線性模型，計算參數(shù)見表1.閘室、閘底板、防滲墻等混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，混凝土材料的彈性模量是28 GPa，泊松比為0.167，覆蓋層下的基巖材料彈性模量是16 GPa，泊松比為0.2.閘底板與覆蓋層之間和防滲墻與覆蓋層之間因材料參數(shù)差異較大，設(shè)置Goodman無厚度接觸面單元，接觸面單元參數(shù)選取根據(jù)類似工程經(jīng)驗，以瀑布溝心墻堆石壩中的接觸面參數(shù)較為經(jīng)典，取為：K1=2 500；n=0.66，Rf=0.74，δ=35°.

表1　覆蓋層和固結(jié)灌漿計算參數(shù)

2.2計算方案

先運用試驗參數(shù)和空接頭型式分別計算不同防滲墻厚度下的應(yīng)力與變形；然后在試驗參數(shù)條件下，選取防滲墻厚度為1 m，分別進行空接頭和剛性接頭兩種接頭型式的計算；再在空接頭和防滲墻厚度為1 m條件下，進行材料參數(shù)和覆蓋層材料參數(shù)敏感性分析.計算方案(見表2).

表2　計算方案

2.3計算模擬

本次計算將覆蓋層作為壩體進行填筑，填筑到覆蓋層表面得到的應(yīng)力作為覆蓋層的初始應(yīng)力場，在這個基礎(chǔ)上進行壩體填筑和蓄水模擬.混凝土滲透系數(shù)很低，直接作為面力邊界，覆蓋層作為水力邊界.

3計算結(jié)果與分析

3.1結(jié)構(gòu)型式的影響

防滲墻厚度主要是根據(jù)防滲墻的材料、抗?jié)B性能、耐久性能、應(yīng)力變形要求、覆蓋層條件、施工條件和工程當?shù)氐乃|(zhì)等確定.防滲墻厚度一般在0.6～1.4 m之間，計算考慮的防滲墻厚度分別為0.6 m、1.0 m和1.4 m.

圖4為防滲墻厚度分別為0.6 m、1 m和1.4 m時蓄水期大主應(yīng)力和水平位移沿高程的分布圖.從圖中可知，蓄水期防滲墻大主應(yīng)力整體沿高程減小而增大，嵌入基巖部分又有一定的減小，且存在明顯的突變.大主應(yīng)力突變主要因覆蓋層材料性質(zhì)在高程方向明顯變化，且受有限元二維模擬自身存在的缺陷影響.防滲墻二維模擬是將防滲墻作為懸臂梁進行模擬，而河谷覆蓋層內(nèi)的防滲墻實際是一個三維結(jié)構(gòu)，二維模擬簡化了橫河向各槽段之間及與基巖的約束作用.防滲墻大主應(yīng)力值隨防滲墻厚度的增大而減小.在同種環(huán)境下，增大防滲墻厚度能夠有效減小防滲墻的大主應(yīng)力.如果繼續(xù)增加防滲墻的厚度可以發(fā)現(xiàn)，增大防滲墻厚度對減小大主應(yīng)力的能力逐步減小.

蓄水期防滲墻水平沿高程增大而增大，防滲墻厚度從0.6～1.4 m之間變化對防滲墻變形影響很小.

閘壩中防滲墻與壩體的接頭型式主要有剛性接頭(硬接頭)和空接頭兩種型式.剛性接頭，即混凝土防滲墻與蓋板采用剛性連接；空接頭，即在混凝土防滲墻頂部與蓋板之間留有足夠大的空間，保證混凝土防滲墻與蓋板在壩體填筑期間不接觸.

圖4　不同厚度防滲墻蓄水期大主應(yīng)力和水平位移

圖5為不同接頭型式(剛性接頭和空接頭)下防滲墻在蓄水期大主應(yīng)力和水平位移沿高程分布圖.據(jù)圖可知，不同接頭型式下，防滲墻大主應(yīng)力差別較小，影響的位置主要在防滲墻頂部靠近接頭位置附近.但采用空接頭的連接方式對靠近接頭處的大主應(yīng)力有一定的減小.相對于剛性接頭，空接頭給防滲墻在接頭部位一定的活動空間，頂部受到的約束較小，緩解了防滲墻頂部處的大主應(yīng)力.不同接頭型式對防滲墻水平位移影響很小.

圖5　不同接頭型式防滲墻蓄水期大主應(yīng)力和水平位移

3.2材料參數(shù)的影響

混凝土防滲墻材料參數(shù)對防滲墻應(yīng)力變形影響很大.計算中，混凝土材料采用線彈性模型，彈模和泊松比的大小直接影響防滲墻的應(yīng)力與變形.不同計算方案下防滲墻材料參數(shù)如下表：

表3　混凝土彈性模量與泊松比

圖6　混凝土彈模變化下防滲墻蓄水期大主應(yīng)力

圖6為防滲墻不同彈模下在蓄水期的大主應(yīng)力.從圖中可知，防滲墻彈模的降低能夠有效地減小防滲墻大主應(yīng)力，相對于接頭型式影響范圍在局部，降低彈模能夠整體減小大主應(yīng)力.混凝土彈模高，墻內(nèi)應(yīng)力也高，但變化不顯著.覆蓋層(例如土)與混凝土之間的彈模差別會影響它們之間的荷載分配比例.混凝土彈模高，承擔的荷載大，應(yīng)力自然高.防滲墻與覆蓋層彈模相差很多數(shù)量級，彈模近30倍的變化不能顯著改變覆蓋層與混凝土之間的軟硬程度的差別.圖7防滲墻在不同彈模下蓄水期的水平位移.從圖中可以看出，防滲墻在各個模量下變形差異都很小，只在最大位移處有一定的影響，主要因為水平位移主要受覆蓋層的性質(zhì)影響.

覆蓋層是直接與防滲墻接觸的材料，覆蓋層與防滲墻的接觸摩擦力是防滲墻受力的主要來源，覆蓋層材料的性質(zhì)對防滲墻應(yīng)力變形影響很大.將全部覆蓋層材料分別設(shè)為覆蓋層的四類材料，方案一將所有覆蓋層材料參數(shù)改為第一層覆蓋層的材料參數(shù)，依此類推方案二、方案三和方案四.

如圖8是方案一、方案二和方案五蓄水期的大主應(yīng)力.覆蓋層材料強度從大到小依次是第四層、第二層、第一層和第三層，方案一到方案四的竣工期的大主應(yīng)力從小到大依次是方案四、方案二、方案一和方案三說明隨著覆蓋層材料強度的增大防滲墻大主應(yīng)力減小.

圖7　混凝土彈模變化下防滲墻蓄水期水平位移

表4是方案一到方案四蓄水期水平位移的最大值，方案三的水平位移明顯大于另外三個方案，說明覆蓋層材料材料越好，抗變形能力越強，對防滲墻變形的約束作用越強，防滲墻變形越小.

圖8　不同覆蓋層材料下蓄水期防滲墻大主應(yīng)力

方案一二三四水平位移最大值/cm13.658.4465.408.24

4結(jié)語

本文概況了防滲墻受力特點和應(yīng)力變形影響的主要因素.對防滲墻應(yīng)力變形影響較大的防滲墻結(jié)構(gòu)(厚度和接頭型式)和材料參數(shù)(防滲墻材料參數(shù)和覆蓋層材料參數(shù))等因素，進行敏感性分析.結(jié)論表明：防滲墻墻體越厚，大主應(yīng)力值越?。豢战宇^能減小接頭附近的大主應(yīng)力；墻體厚度變化和接頭型式變化對防滲墻變形影響很??；防滲墻彈模的降低能夠有效地減小防滲墻大主應(yīng)力，但對于普通混凝土，彈模降低會導(dǎo)致混凝土強度降低，鑒于該工程防滲墻大主應(yīng)力較大，建議采用C30混凝土或考慮低彈模高強度混凝土；覆蓋層材料越好，對防滲墻變形的約束作用越強，防滲墻變形越小，大主應(yīng)力越小.

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Sensitivity Analysis about Influencing Factors on Stress-deformation of Cutoff Wall in Deep Overburden

LV Gao-feng, ZHU Jin-jie, WANG Yu-jie

(Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration, Hanghou 310014, China)

Abstract:Cutoff wall is the most important treatment for deep overburden. Based on Badan Project in southwest China, by establishing the finite element mesh, the sensitivity analysis on cutoff wall thickness, type of joint and material parameter is carried out. The conclusion shows: (1)The thicker cutoff wall is, the smaller stress value will be; (2)Empty joint can reduce the stress value of cutoff wall near the joint; (3)Reducing elastic modulus of cutoff wall can effectively reduce stress value; (4)The better overburden material is, the stronger constraints will be on deformation of cutoff wall, therefore, the deformation and stress of cutoff wall is smaller.

Key words:overburden; cutoff wall; stress; deformation

中圖分類號：TV551.3

文獻標志碼：A

文章編號：1008-536X(2016)02-0046-06

作者簡介：呂高峰(1987- )，男，浙江臨安人，工程師，碩士，主要從事大壩安全監(jiān)測和土石壩及巖土工程數(shù)值計算工作.

收稿日期：2015-09-12