土石壩剛塑性防滲墻組合方案研究

張士良

(撫順縣投資審計(jì)中心，遼寧 撫順 113006)

土石壩對(duì)世界水利工程的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[1]，應(yīng)用極為廣泛，是壩工工程中使用最多的壩型[2]。而土石壩建筑中出現(xiàn)的地震液化以及滲流破壞等問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重威脅了人們的生產(chǎn)生活，提高土石壩加固技術(shù)已成為近年來(lái)水利工程研究的重點(diǎn)。塑性防滲墻由膨潤(rùn)土、石子以及水泥等材料按一定比例配制而成，能夠滿足各類(lèi)地質(zhì)狀況，具有非常好的滲透性能[3]。蔡小麟[4]等采用低碳塑性防滲墻方案，對(duì)高土石圍堰進(jìn)行了應(yīng)力、應(yīng)變分析，發(fā)現(xiàn)了墻的厚度直接影響著最大拉應(yīng)力以及壓應(yīng)力的大?。恍旖▏?guó)[5]等從線彈性材料角度對(duì)防滲墻進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)材料的彈塑性進(jìn)行了深入的探討。本文基于相關(guān)理論知識(shí)，結(jié)合英守水庫(kù)土石壩相關(guān)工程概況，采用有限元計(jì)算軟件ADINA，對(duì)土石壩防滲墻在加固過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了研究，通過(guò)建立的三維有限元模型，對(duì)施工期以及運(yùn)行期四種條件下土石壩防滲墻相關(guān)應(yīng)力、應(yīng)變的分析，確定了土石壩防滲墻組合的方案，為今后相關(guān)工程的施工提供幫助。

1 工程概況及模型

1.1 工程概況

英守水庫(kù)位于遼寧省渾河支流古城子河上，總庫(kù)容為1140萬(wàn)m3，主壩采用粘土寬心墻堆石壩，頂寬4.5m，下游心墻坡比為1∶0.865，上游坡率1∶0.53，壩體主要以堆石、石渣等材料堆成，壩體上部填充紅色泥礫石等材料。選取兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，方案一壩體上部采用6MPa的塑性混凝土，壩體下部采用C10剛性混凝土，為剛塑性組合；方案二為剛性墻方案，全部采用C10剛性混凝土。

1.2 模型的建立

利用有限元分析軟件ADINA對(duì)土石壩進(jìn)行三維非線性有限元分析[6]。其計(jì)算范圍為壩體上游壩坡坡腳到下游壩坡坡腳，模型邊界的選取基于防滲墻的組合方案向下延伸112m，向上頂部高程為658m。模型采用直角坐標(biāo)系，以沿壩軸線由左到右方向?yàn)閄軸正向，豎直向上為Z正向，順?biāo)鞣较驗(yàn)閅正向[7]。壩基和壩體主要由粘土、塑性混凝土和紅色泥泥礫石等材料組成，材料物理特性參數(shù)見(jiàn)表1，防滲墻應(yīng)按線彈性材料進(jìn)行計(jì)算模擬。

表1 材料相關(guān)物理特性參數(shù)

在對(duì)不同工況進(jìn)行受力分析時(shí)，只考慮水荷載及壩身自重?；鶐r上的防滲墻體施加上游水產(chǎn)生的水荷載，水容重為10.0KN/m3，從工況的角度考察施工期及運(yùn)行期內(nèi)防滲墻的剛塑性組合在應(yīng)力及應(yīng)變方面的影響，對(duì)施工期的最大水位及運(yùn)行期的設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和興利水位四種條件下上游水位進(jìn)行了測(cè)量，見(jiàn)表2。

表2 四種條件下特征水位表

利用有限元軟件對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到圖1壩基和壩段P1斷面網(wǎng)格圖。壩體防滲墻兩側(cè)網(wǎng)格共劃分48685個(gè)節(jié)點(diǎn)，47584個(gè)單元。模型壩基的側(cè)邊約束為y=0或x=0，底面約束為z=0，主要對(duì)防滲墻的最高斷面P1進(jìn)行分析[8]。

圖1 壩基和壩段P1斷面網(wǎng)格圖

2 兩方案防滲墻組合應(yīng)力分析

2.1 施工期最大水位應(yīng)力變形分析

圖2為施工期最大水位下P1剖面應(yīng)力分布圖，由圖可知，在施工期最大水位作用下，剛性防滲墻組合方案中，防滲墻剖面P1墻身的第一主應(yīng)力由上到下逐漸變大，最大值為-0.53MPa，壩體心墻處應(yīng)力也較大，從壩頂?shù)綁蔚?，?yīng)力的數(shù)值大小逐漸增大，最大值出現(xiàn)在壩底，為-1.37MPa，Y方向(沿河流方向)的應(yīng)力變化主要體現(xiàn)在壩體兩側(cè)的形變上，而豎直高程(Z方向)的應(yīng)力變化為從上到下應(yīng)力值逐漸變大，最大應(yīng)力值大小為-1.51MPa。在剛塑性組合方案中，P1剖面防滲墻墻身的第一主應(yīng)力值由上到下逐漸增大，最大應(yīng)力值為-0.62MPa，壩體心墻處應(yīng)力值較大，Y方向(沿河流方向)的應(yīng)力變化主要體現(xiàn)在壩體兩側(cè)變形性上，從壩頂?shù)綁蔚?，?yīng)力逐漸變大，在壩底處達(dá)到最大值，為-1.41MPa，豎直高程(Z方向)的應(yīng)力值由上到下逐漸變大，最大值為-1.22MPa。

圖2 施工期最大水位下P1剖面應(yīng)力分布圖

2.2 運(yùn)行期應(yīng)力變形分析

圖3為運(yùn)行期P1剖面閣主應(yīng)力分布圖，由圖可知，不同的水位作用下壩身的應(yīng)力作用也不相同，在校核洪水位作用下，剛性防滲墻方案中，防滲墻墻身的第一主應(yīng)力由上至下逐漸增大，最大值為-0.66MPa，壩體心墻處所受應(yīng)力值較大，由壩頂?shù)綁蔚?，其?shù)值大小逐漸增大，在壩底處達(dá)到最大，為-1.32MPa，壩體兩側(cè)形變較小主要體現(xiàn)為Y方向(沿河流方向)的應(yīng)力分布，而豎直高程(Z方向)的應(yīng)力值由上之下依次增大，最大值為1.48MPa。剛塑性組合方案中，防滲墻墻身剖面P1所受應(yīng)力由壩頂至壩底依次增大，最大值為-0.68MPa，壩體心墻處所受應(yīng)力值較大，沿河流方向(Y方向)應(yīng)力分布主要體現(xiàn)在壩體兩側(cè)變小，由上至下應(yīng)力值逐漸增大，壩底處出現(xiàn)最大值，為-1.42MPa，Z方向(豎直高程)應(yīng)力分布與剛性防滲墻應(yīng)力分布相同，最大值出現(xiàn)在最底部，為-1.36MPa。

圖3 運(yùn)行期P1剖面各主應(yīng)力分布圖

在興利水位作用下，剛性防滲墻方案中，防滲墻墻身所受第一主應(yīng)力由上至下逐漸增大，最大應(yīng)力值為-0.73MPa，壩體心墻處所受應(yīng)力值較大，Y方向(沿河流方向)應(yīng)力分布主要體現(xiàn)在壩體兩側(cè)形變較小，由壩底至壩頂，應(yīng)力值逐漸減小，最小值為-0.21MPa，豎直高程方向(Z方向)應(yīng)力分布為從上至下依次增大，最大值為-1.59MPa。剛塑性防滲墻組合方案中，防滲墻墻身第一主應(yīng)力分布為由下至上依次減小，在壩頂處達(dá)到最小值，為-0.18MPa，壩體心墻處所受應(yīng)力較大，沿河流方向(Y方向)應(yīng)力分布主要體現(xiàn)在壩體兩側(cè)變小，由壩底至壩頂，應(yīng)力值逐漸減小，壩頂處達(dá)到最小值，為-0.33MPa。Z方向(豎直高程)應(yīng)力由上至下依次增大，最大值為-1.66MPa。

設(shè)計(jì)洪水位作用下，剛性防滲墻方案中，防滲墻墻體所受第一應(yīng)力值從下至上依次減小，最小值為-0.10MPa，壩體心墻應(yīng)力較大，沿河流方向(Y方向)所受應(yīng)力值具體表現(xiàn)為壩體兩側(cè)較小的形變，從壩頂至壩底，應(yīng)力值逐漸增大，在壩底處達(dá)到最大值，為-1.69MPa，豎直高程(Z方向)所受應(yīng)力值由上至下依次增大，最大值為-1.89MPa。剛塑性防滲墻方案中，防滲墻墻身所受第一主應(yīng)力值由上至下逐漸變大，最大值為-0.93MPa。壩體心墻處所受應(yīng)力值較大，沿河流方向(Y方向)所受應(yīng)力值由壩頂至壩底逐漸變大，在壩底處出現(xiàn)最大值，為-2.06MPa，Z方向(豎直高程)應(yīng)力值由下至上依次減小，最小值為-0.27MPa。

3 兩方案防滲墻組合應(yīng)變分析

3.1 施工期最大水位應(yīng)變分析

圖4為施工期最大水位下P1剖面在水平方向與豎直方向的位移圖，由圖可知，在施工期最大水位作用下，剛性防滲墻方案中，防滲墻在豎直方向防滲墻中部附近發(fā)生最大沉降量，數(shù)值為35.23cm，水平方向在防滲墻與基巖接觸處上方出現(xiàn)最大位移值，其數(shù)值為15.39cm。而在剛塑性防滲墻組合方案中，豎直方向最大沉降量發(fā)生在剛塑性防滲墻中部，為36.88cm，水平方向最大位移值出現(xiàn)在基巖與防滲墻交界處上方，最大值為14.33cm。

圖4 施工期最大水位下P1剖面位移圖

3.2 運(yùn)行期應(yīng)變分析

圖5為運(yùn)行期P1剖面水平及豎直位移分布圖，由圖可得，在不同的水位作用下，壩體產(chǎn)生的位移值也不相同。在設(shè)計(jì)洪水位作用下，剛性防滲墻方案中，豎直方向的最大沉降值出現(xiàn)在剛性防滲墻中部，其數(shù)值為33.29cm，水平方向最大位移值出現(xiàn)在基巖與防滲墻交界處附近，最大位移值為18.89cm。剛塑性防滲墻組合方案中，數(shù)值方向最大沉降值出現(xiàn)在剛塑性防滲墻中部上方，最大沉降量為40.21cm，水平位移出現(xiàn)在基巖與防滲墻交界附近，最大值為12.28cm。

圖5 運(yùn)行期P1剖面水平及豎直位移分布圖

興利水位作用下，剛性防滲墻豎直方向最大沉降量出現(xiàn)在剛性防滲墻中部上方，最大沉降量為42.33cm，水平方向最大位移值出現(xiàn)在基巖與剛性防滲墻交界處，最大值為16.69cm。剛塑性防滲墻組合方案中，豎直方向最大沉降量出現(xiàn)在剛塑性防滲墻中部，數(shù)值為29.99cm，最大水平位移出現(xiàn)在基巖與剛性防滲墻交界處，為34.68cm。

校核洪水位作用下，剛性防滲墻方案中，豎直方向的最大沉降量出現(xiàn)在剛性防滲墻中部上方，最大沉降量為30.33cm，水平方向最大位移值出現(xiàn)在基巖與剛性防滲墻交界處，數(shù)值為12.99cm。而在剛塑性防滲墻組合方案中，豎直方向最大沉降量出現(xiàn)在剛塑性防滲墻中部上方，數(shù)值為41.22cm，水平方向最大位移出現(xiàn)在基巖與剛塑性防滲墻交界處，最大位移值為11.19cm。

4 結(jié)論

針對(duì)英守水庫(kù)土石壩實(shí)際施工需要，利用ADINA有限元分析軟件對(duì)壩身進(jìn)行有限元分析并建立三維模型，探究了不同工況下壩體的應(yīng)力與應(yīng)變規(guī)律，結(jié)果表明：

在應(yīng)力及應(yīng)變?cè)试S范圍內(nèi)，兩方案所得結(jié)果相差不大，但由于壩體上部為新筑壩體，在實(shí)際運(yùn)行的初期，產(chǎn)生的沉降量較大，結(jié)合壩體并未經(jīng)歷高水位考驗(yàn)，所以采用剛塑性防滲墻組合較為合適。

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