紅黏土塑性混凝土防滲墻與覆蓋層變形協(xié)調(diào)及應(yīng)力變形分析

李續(xù)楠　楊具瑞　張正安

摘要利用ABAQUS有限元模擬軟件，對(duì)云南某黏土斜墻土石壩進(jìn)行有限元分析，探究壩基中紅黏土塑性混凝土防滲墻對(duì)覆蓋層影響的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在校核洪水位下，0.3、0.4和0.5 m防滲墻的鉛垂向位移與覆蓋層協(xié)調(diào)性較好；0.3 m厚防滲墻與覆蓋層協(xié)調(diào)性稍差于0.4、0.5 m厚防滲墻；墻頂垂直應(yīng)力值為墻底垂直應(yīng)力值的58%左右，分布較為均勻，有利于墻體的安全；大小主應(yīng)力值均以壓應(yīng)力為主，其中大主應(yīng)力值在墻體與基巖連接處出現(xiàn)極小范圍的拉力區(qū)，但拉應(yīng)力值遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度0.19 MPa，小主應(yīng)力最大值為-0.62 MPa，遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度值1.69 MPa。

關(guān)鍵詞紅黏土塑性混凝土防滲墻；斜墻壩；有限元法；變形協(xié)調(diào)；滲流

中圖分類號(hào)TV640.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）22-0162-05

AbstractABAQUS finite element simulation software was used to analyze the finite element analysis of a sloping core earth rock dam in Yunnan，and the influence of the plastic clay in the dam foundation was studied.The results showed that the vertical displacement of 0.3 ，0.4 and 0.5 m cutoff walls was better than that of the cover layer under the check flood level.The 0.3 m thick cutoff wall and the cover were slightly less than 0.4，0.5 m thick wall； the vertical stress value of the wall top was about 58% of the vertical stress value of the wall，the distribution was more uniform，which was favorable to the safety of the wall.The principal stress values were mainly compressive stress，The tensile stress was much smaller than the tensile strength of 0.19 MPa，and the maximum principal stress was -0.62 MPa，which was much smaller than the compressive strength value of 1.69 MPa.

Key wordsRed clay plastic concrete seepage wall；Inclinedwall dam；Finite element method；Deformation coordination；Seepage

水利工程是農(nóng)業(yè)的命脈，水庫的滲漏對(duì)農(nóng)田灌溉有著不可忽視的影響。1989年起，以塑性混凝土防滲墻為防滲體的工程已達(dá)到了60余座，均解決了水利工程中的各類問題，且運(yùn)行情況良好。沈珠江等[1]通過對(duì)三峽二期圍堰中塑性混凝土防滲墻的有限元模擬，表明塑性混凝土防滲墻在復(fù)雜斷面覆蓋層中的位移和應(yīng)力情況均在安全范圍內(nèi)；于玉貞等[2]通過對(duì)比分析小浪底工程圍堰下擬建的塑性混凝土防滲墻和剛性混凝土防滲墻，表明塑性混凝土防滲墻具有較好的變形能力和較低的應(yīng)力水平；宋博等[3]通過對(duì)不同荷載下的塑性混凝土滲透試驗(yàn)，表明塑性混凝土應(yīng)力水平在30%～80%時(shí)，滲透系數(shù)不會(huì)顯著增大，防滲效果良好；李創(chuàng)團(tuán)[4]通過廣西鳳亭河水庫塑性混凝土防滲墻試驗(yàn)的研究，表明塑性混凝土在只摻入黏土的情況下，可以滿足工程中抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B性的要求，能夠適應(yīng)土層周圍的變形，大大降低工程造價(jià)?；趪鴥?nèi)對(duì)單獨(dú)摻入云南紅黏土的塑性混凝土應(yīng)用較少、數(shù)值模擬較為匱乏，筆者結(jié)合云南省某斜墻土石壩，采用三維有限元法對(duì)蓄水期不同水位下[5]的紅黏土塑性混凝土防滲墻進(jìn)行有限元模擬分析，對(duì)比分析紅黏土塑性混凝土防滲墻在校核洪水位、正常蓄水位及死水位下與兩側(cè)覆蓋層之間的變形協(xié)調(diào)性以及防滲效果。

1物理模型、模型參數(shù)及ABAQUS模型

1.1物理模型

云南省石林縣路美邑新壩水庫，其工程規(guī)模為小（2）型蓄水工程，樞紐工程等別為Ⅴ等。經(jīng)大壩安全評(píng)價(jià)鑒定路美邑新壩水庫大壩為三類壩。壩頂高程為1 734.66～1 735.41 m，此次復(fù)核高程為1 735.00 m，最大壩高12.50 m， 現(xiàn)狀壩頂長(zhǎng)約220.00 m，壩頂寬5.00～8.00 m，此次復(fù)核寬為6.00 m，上下游壩坡坡均比為1∶2.0。紅黏土塑性混凝土防滲墻位于斜墻下端中部，厚度為0.3 m，墻頂插入斜墻0.5 m，墻底深入基巖0.5 m。該研究主要模擬防滲墻在校核洪水位、正常蓄水位、死水位下與覆蓋層之間的變形協(xié)調(diào)性及抗?jié)B能力。壩體及紅黏土塑性混凝土防滲墻，坐落于黏土礫石沖洪積層和二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖上。壩體的典型橫、縱剖面圖如圖1和圖2所示。

1.2計(jì)算模型參數(shù)該研究中ABAQUS計(jì)算模型的參數(shù)均在云南淩屹工程設(shè)計(jì)有限公司針對(duì)該工程的協(xié)助下試驗(yàn)得出，對(duì)模型合理分區(qū)后并考慮濕化效應(yīng)的材料參數(shù)如表1所示。

1.3三維有限元計(jì)算模型

在數(shù)值模擬中，壩體及防滲墻的應(yīng)力變形受到了覆蓋層、基巖以及兩岸山體的影響，為了使計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際情況，得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確，在建立計(jì)算模型過程中，除了壩體之外還應(yīng)包括兩岸山體、覆蓋層以及基巖。此次計(jì)算所應(yīng)用的軟件為非線性功能強(qiáng)大的ABAQUS，采用Hypermesh軟件建立物理模型以及劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入ABAQUS/standard模塊中完成計(jì)算。計(jì)算網(wǎng)格單元總個(gè)數(shù)140 312個(gè)，單元警告數(shù)203個(gè)，網(wǎng)格警告率為0.14%，網(wǎng)格整體質(zhì)量較好，模型整體三維有限元網(wǎng)格如圖3所示。

1.4關(guān)鍵部位網(wǎng)格、分級(jí)填筑、地應(yīng)力平衡及流固耦合

1.4.1關(guān)鍵部位網(wǎng)格質(zhì)量。

網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果有著很大的影響，該研究中的計(jì)算網(wǎng)格單元數(shù)量140 312，其中在關(guān)鍵部位，即斜墻下的紅黏土塑性混凝土防滲墻及其周圍覆蓋層進(jìn)行網(wǎng)格的加密，在加密過程中，通過初次計(jì)算以及再次加密網(wǎng)格密度來比較關(guān)鍵部位計(jì)算結(jié)果誤差，初步判斷網(wǎng)格密度是否合適[6]，前后兩次垂直應(yīng)力計(jì)算結(jié)果誤差為3%，小于規(guī)范誤差最小值5%，可以初步認(rèn)定網(wǎng)格的精度可達(dá)到基本要求。

1.4.2地應(yīng)力平衡。

在壩體填筑前，由于覆蓋層、基巖的自重產(chǎn)生的應(yīng)力[7]，往往要考慮覆蓋層、基巖對(duì)紅黏土塑性混凝土防滲墻以及壩體的影響，同時(shí)又要求施加地應(yīng)力后，填筑壩體前的覆蓋層以及基巖不產(chǎn)生變形，因此需要對(duì)覆蓋層以及基巖進(jìn)行地應(yīng)力的平衡。覆蓋層以及基巖地應(yīng)力平衡后，在保證其各應(yīng)力基本不變的情況下，位移量由自重情況下的厘米量級(jí)減小至10-6 m量級(jí)，接近于零，可見地應(yīng)力平衡已滿足要求。地應(yīng)力平衡后的壩體位移如圖4所示。

1.4.3施工蓄水的模擬。

在三維有限元計(jì)算分析中，將整個(gè)模型分為11個(gè)分析步，控制各層單元的生死，通過分級(jí)加載的計(jì)算方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程分級(jí)填筑的模擬[8]，施工過程中壩基覆蓋層、防滲墻先于壩體填筑，斜墻與壩體填料同時(shí)分級(jí)填筑上升，在模擬施工完成后，分別模擬蓄水至校核洪水位、正常蓄水位及死水位。具體模擬過程如表2所示。

1.4.4ABAQUS中流固耦合的實(shí)現(xiàn)。

目前土石壩的有限元模擬分析，往往單獨(dú)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的模擬，雖然簡(jiǎn)單易行，但和實(shí)際工程不符，經(jīng)前人研究得出，單獨(dú)考慮應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的情況下，所得計(jì)算結(jié)果與應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)耦合作用下的計(jì)算結(jié)果有明顯差異。該研究在計(jì)算模擬中考慮應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的相互作用下，通過選擇單元類型、改變孔隙率進(jìn)而改變滲透系數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的耦合分析。

2本構(gòu)模型

紅黏土塑性混凝土是相對(duì)剛性混凝土摻入了大量的云南本地紅黏土，使得紅黏土塑性混凝土與壩體填土和覆蓋層等有著相似的本構(gòu)關(guān)系和變形能力。目前在水利工程中主要采用鄧肯張E-B模型實(shí)現(xiàn)對(duì)土石壩的模擬。相比摩爾庫倫等其他本構(gòu)模型，鄧肯張E-B模型能夠更加準(zhǔn)確地反映出應(yīng)

力變形情況。在參數(shù)的選取上，鄧肯張E-B模型有著成熟經(jīng)

驗(yàn)且確定較為方便，故此次模擬中選取鄧肯張E-B模型作為土石壩體及防滲墻的本構(gòu)模型，其本構(gòu)模型公式如下[9]：

Et=Kpaσ3pan1-Rf（σ1-σ3）（1-sinφ）2c cosφ+2σ3 sin φ2 （1）

Eur=Kurpaσ3panur （2）

Bt=Kbpaσ3pam（3）

式中，Et為切線變形模量；K為切線模量基數(shù)；n為切模量指數(shù)；c為凝聚力；σ1為土體的大主應(yīng)力；σ3為土體的小主應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角；Rf為破壞比；Eur為切線彈性模量；Kur、nur為由試驗(yàn)確定的系數(shù)，確定方法與K、n相似；Bt為體積彈性模量系數(shù)；Kb為K的基數(shù)；m為體積模量指數(shù)；pa為大氣壓。

3防滲墻與覆蓋層變形協(xié)調(diào)性分析

為了便于對(duì)比分析紅黏土塑性混凝土防滲墻在不同工況下的變形情況，該研究選取壩體縱剖面進(jìn)行應(yīng)力變形的對(duì)比分析。該研究主要研究上游水庫分別蓄水至校核洪水位、正常蓄水位及死水位時(shí)，紅黏土塑性混凝土防滲墻與兩側(cè)覆蓋層的變形協(xié)調(diào)性和抗?jié)B能力。此次計(jì)算模擬中，規(guī)定順河向位移向下游為正，鉛錘向位移以向上為正，各個(gè)主應(yīng)力以拉為正，反之為負(fù)。

3.1防滲墻與覆蓋層鉛垂向協(xié)調(diào)

由圖5可見，

在校核洪水位下，防滲墻厚度分別為0.3、0.4和0.5 m時(shí)，墻頂鉛錘向位移值分別為-2.22、-2.10和-2.05 cm，墻底鉛錘向位移值分別為-0.68、-0.69和0.69 cm，位移值隨著高程的增加而增大，防滲墻的最大位移值均發(fā)生在墻頂，最小值發(fā)生在墻底。上、下游覆蓋層整體位移值與防滲墻較為接近[10]，協(xié)調(diào)性較好，由于上游壩址的拖拽，在墻頂附近協(xié)調(diào)性稍差，但在合理范圍內(nèi)。隨著防滲墻厚度的增加，同一高程點(diǎn)的防滲墻位移值逐漸減小，且隨著高程的增加，減小的趨勢(shì)越明顯。

3.2防滲墻與覆蓋層順河向協(xié)調(diào)

由圖6可知，在校核洪水位下，防滲墻及覆蓋層的順河向位移值最大值發(fā)生在1 718.5 m附近，其中0.3、0.4和0.5 m防滲墻順河向位移最大值分別為-0.54、-0.54和-0.53 cm，最小值均發(fā)生在墻頂附近，分別為-0.10、-0.13和-0.14 cm。其中防滲墻中部位移均大于墻頂和墻底的位移值。隨著墻體厚度的增加，此時(shí)防滲墻變形能力變差，同一高程點(diǎn)的順河向位移值隨之減小，但在墻頂附近，隨著墻體厚度的增加，在上游壩趾的作用下，墻體頂端受到拖拽作用減小，故順河向位移值有所增大。

3.3防滲墻變形及應(yīng)力

圖7為校核洪水位下，防滲墻的鉛垂向沉降值與順河向位移計(jì)算結(jié)果。由圖8可見，在校核洪水位下作用，防滲墻厚度分別為0.3、0.4和0.5 m時(shí)，墻體內(nèi)部的垂直應(yīng)力最大值分別為-0.61、-0.57和-0.56 MPa，均發(fā)生在墻底，最小值分別為-0.37、-0.34和-0.32 MPa，均發(fā)生在墻頂，墻頂垂直應(yīng)力值分別為墻底的60%、58%和57%。墻體頂部垂直應(yīng)力為墻底的50%～60%，垂向應(yīng)力值分布較為均勻[11]，與傳統(tǒng)混凝土小于10%范圍相比，有著明顯區(qū)別。其原因是傳統(tǒng)的剛性混凝土防滲墻變形能力較差，與兩側(cè)覆蓋層產(chǎn)生巨大沉降差，如小浪底工程中的防滲墻與覆蓋層沉降差高達(dá)28.2 cm，在防滲墻和墻體之間產(chǎn)生巨大的拖拽力，導(dǎo)致防滲墻底部垂向應(yīng)力值遠(yuǎn)大于頂部應(yīng)力值。當(dāng)防滲墻在不同水位作用下，墻體在校核洪水位、正常蓄水位及死水位下的垂直應(yīng)力值隨著水位的下降而減小。在相同水位作用下，隨著防滲墻墻體厚度的增加，垂直應(yīng)力值也隨之減小，表明厚度的增加有利于減小斜墻下部的紅黏土塑性混凝土防滲墻垂直應(yīng)力。校核洪水位下，防滲墻厚度分別為0.3、0.4和0.5 m時(shí)，大主應(yīng)力的最大值分別為-0.06、-0.62和-0.77 MPa，大主應(yīng)力只在防滲墻與兩端的極小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，但僅有0.04 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該研究工程中的紅黏土塑性混凝土抗拉破壞值0.19 MPa。在防滲墻縱剖面的上的小主應(yīng)力，同樣以壓應(yīng)力為主，最大值均發(fā)生在墻底。在校核洪水位下，防滲墻厚度分別為0.3、0.4和0.5 m時(shí)，小主應(yīng)力的最大值分別為-0.58、-0.54和-0.52 MPa，最大值均為達(dá)到該研究工程中的抗壓強(qiáng)度破壞值-1.69 MPa，故防滲墻是安全的[12]。

4結(jié)論

在校核洪水位作用下，鉛垂向位移值隨著墻體厚度的增加，協(xié)調(diào)性變差；鉛垂向位移值隨著墻體厚度的增加，協(xié)調(diào)性變好；墻頂與墻底垂直應(yīng)力比值隨著墻體厚度的增加，有減小的趨勢(shì)，表明墻體厚度的增加不利于墻體的安全；0.3、0.4和0.5 m的大小主應(yīng)力值均為超過破壞值，故防滲墻是安全的。

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