復(fù)雜地質(zhì)條件下混凝土防滲墻設(shè)置方案數(shù)值分析

徐曉英

(青海省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，青海 西寧 810000)

1 概述

某水庫(kù)位于青海省境內(nèi)，其土石壩采用黏土心墻壩形式，心墻下設(shè)防滲墻，采用全封閉防滲系統(tǒng)。大壩壩頂高程3402.6m，心墻底清基高程3372.2m，最大壩高30.4m，上游壩坡為1∶2.25，下游壩坡為1∶2.0。有關(guān)混凝土防滲墻的研究已取得了一定進(jìn)展，包括針對(duì)大壩塑性混凝土防滲墻防滲性能開(kāi)展的仿真分析，對(duì)土石壩低彈性模量混凝土防滲墻特性數(shù)值分析，對(duì)塑性混凝土防滲墻的抗?jié)B性能研究，對(duì)深覆蓋層上面板堆石壩防滲墻特性影響因素的研究。該水庫(kù)土石壩地質(zhì)條件復(fù)雜，防滲墻與壩基覆蓋層剛度相差較大，為防止其產(chǎn)生不均勻沉降而導(dǎo)致防滲墻受到的拉、壓應(yīng)力超過(guò)其允許強(qiáng)度而產(chǎn)生破壞。在前人研究的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件對(duì)設(shè)置的三種方案開(kāi)展了數(shù)值模擬優(yōu)化分析。

2 計(jì)算方法

2.1 模型建立

粉質(zhì)粘土心墻砂殼壩從上游到下游共劃分為6個(gè)分區(qū)：Ⅰ區(qū)(壩體圍堰結(jié)合區(qū))、Ⅱ區(qū)(上游砂礫石壩殼)、Ⅲ區(qū)(心墻上下游反濾層)、Ⅳ區(qū)(粉質(zhì)粘土心墻)、Ⅴ區(qū)(下游砂礫石壩殼)、Ⅵ區(qū)(排水棱體)。復(fù)雜地基劃分為6層：Ⅰ層(稍密-中密沖積礫石層)、Ⅱ?qū)?中密-密實(shí)沖積礫石層)、Ⅲ層(全新統(tǒng)密實(shí)礫石層)、Ⅳ層(安山巖風(fēng)化層2)、Ⅴ層(安山巖微風(fēng)化-新鮮層)、Ⅵ層(壩體下大斷層)。

三維模型網(wǎng)格剖分考慮了壩體6個(gè)分區(qū)、復(fù)雜地基6個(gè)分層、防滲墻以及防滲墻與壩基覆蓋層之間的接觸面，模型上下游分別取1.5倍壩高，模型共計(jì)單元121460個(gè)，節(jié)點(diǎn)162323個(gè)。計(jì)算過(guò)程中假定土石壩蓄水之前，壩體沉降已經(jīng)完成。計(jì)算模擬了基礎(chǔ)清理、防滲墻施工及土石壩施工，壩體竣工以后蓄水至校核洪水位幾種工況。

2.2 模型邊界條件

數(shù)值模擬時(shí)，以上覆巖體的重量作為豎向應(yīng)力，進(jìn)行初始應(yīng)力計(jì)算。邊界條件的選取直接影響到計(jì)算結(jié)果的正確性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)計(jì)算模型施加速度邊界條件：前邊界(X=0m)、后邊界(X=210m)，X向約束；前邊界(Z=-41.7663)、后邊界(Z=516.247m)Z向約束；模型底面(Y=0)固定，模型頂面自由。大壩三維整體計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 大壩三維整體計(jì)算模型

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2.3 模型參數(shù)

壩體和壩基選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，剛、塑性混凝土分別采用線彈性、Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，為較能精確反映出各種材料的受力特性，根據(jù)收集的工程地質(zhì)資料，采用工程類比法，最終確定的模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

2.4 計(jì)算方案

混凝土防滲墻均采用剛性混凝土(C30、C25、C15)和塑性混凝土(彈性模量為3000MPa、1000MPa、500MPa)，而刺墻分別采用C20和彈性模量為1000MPa混凝土以及不設(shè)刺墻。計(jì)算方案見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算方案

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 方案一結(jié)果分析

方案一防滲墻應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖2所示，防滲墻的垂直位移和水平位移計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 方案一防滲墻應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3 方案一防滲墻位移計(jì)算結(jié)果

3.1.1防滲墻應(yīng)力分析

(1)最小主應(yīng)力分析

混凝土防滲墻彈性模量與自身受到的壓應(yīng)力約呈正相關(guān)關(guān)系。

C35、C30、C25、C15混凝土防滲墻最大壓應(yīng)力分別為23.3、23.2、23、21.9MPa，剛性混凝土防滲墻壓應(yīng)力最大值發(fā)生在距離防滲墻底部1/3位置附近。隨著剛性混凝土彈性模量的增大，其自身受到的壓應(yīng)力基本穩(wěn)定。C25、C30、C35混凝土受到的壓應(yīng)力滿足要求，C15、C20混凝土受到的壓應(yīng)力不滿足要求。

塑性混凝土防滲墻受到的壓應(yīng)力明顯比剛性混凝土小，隨著彈性模量的減少，防滲墻受到的壓應(yīng)力明顯減少。彈性模量為3000、1000、500MPa的混凝土防滲墻最大壓應(yīng)力分別為5.99、4.93、3.67MPa。彈性模量為3000MPa的混凝土防滲墻受到的最大壓應(yīng)力在距離防滲墻底1/3位置附近，且分布范圍較大，彈性模量為1000MPa和500MPa的混凝土防滲墻受到的最大壓應(yīng)力分布范圍較小，基本存在于與基巖接觸的部分。其中500、1000MPa混凝土防滲墻大面積受到的壓應(yīng)力分別小于2.5、3.0MPa。由于塑性混凝土要求的抗壓強(qiáng)度不低于5MPa，即塑性混凝土防滲墻受到的壓應(yīng)力滿足自身的抗壓強(qiáng)度要求。

(2)最大主應(yīng)力分析

混凝土防滲墻受到較大的拉應(yīng)力，均超過(guò)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度，將可能產(chǎn)生破壞。

剛性混凝土防滲墻受到的拉應(yīng)力值較大，拉應(yīng)力區(qū)域分布在防滲墻頂部?jī)蓚€(gè)邊角以及防滲墻的底部位置附近，最大值發(fā)生在防滲墻頂端與刺墻和安山巖接觸的位置附近?？赡苁怯捎谶@兩處刺墻和安山巖對(duì)其約束較大導(dǎo)致的。其中C35、C30、C25、C15混凝土防滲墻受到的拉應(yīng)力最大值分別為6.12、5.71、5.08、4.25MPa，超過(guò)其自身抗拉強(qiáng)度。同時(shí)在防滲墻中間最底部存在較大的拉應(yīng)力，數(shù)值約在3.48MPa左右。由于此處斷層為碎石，變形參數(shù)數(shù)值較小，在建筑物和土壓力的作用下易發(fā)生變形，使防滲墻與壩基覆蓋層易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。因此在施工時(shí)，應(yīng)注意斷層處理。

塑性混凝土防滲墻受到的拉應(yīng)力值亦較大，但其拉應(yīng)力區(qū)域相比于剛性混凝土防滲墻大幅度減少。塑性混凝土防滲墻的拉應(yīng)力區(qū)域主要分布在防滲墻頂部與刺墻相接觸的兩個(gè)邊角處，可能是由于此處防滲墻變形較大，但受到了刺墻的約束。因此可以通過(guò)減少刺墻的彈性模量來(lái)減少塑性混凝土防滲墻所受到的拉應(yīng)力。其中，彈性模量為3000、1000、500MPa的混凝土防滲墻所受最大拉應(yīng)力分別為6.79、6.55、3.14MPa。均超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度。

3.1.2防滲墻應(yīng)變分析

(1)防滲墻垂直位移分析

隨著混凝土彈性模量的增加以及防滲墻深度的增大，混凝土防滲墻的垂直位移均逐漸減少，位移最大值發(fā)生在頂部。對(duì)于剛性混凝土防滲墻而言，垂直位移很小，而對(duì)于塑性混凝土而言，垂直位移較大，基本與壩基覆蓋層變形相一致。其中C35、C30、C25、C15混凝土防滲墻最大垂直位移分別為3.46、3.56、3.77、4.41cm，彈性模量為3000、1000、500MPa的混凝土防滲墻最大垂直位移分別為11.96、13.02、14.90cm。

(2)防滲墻水平位移分析

隨著混凝土彈性模量的增大，水平位移值變化不大；防滲墻頂部存在向下游的變形，防滲墻底部存在向上游的變形。水平位移最大值發(fā)生在防滲墻頂部。其中C35、C30、C25、C15混凝土防滲墻最大水平位移分別為1.03、1.02、1.03、0.83cm，彈性模量為3000、1000、500MPa混凝土防滲墻最大水平位移值分別為1.96、1.75、1.54cm。由于混凝土防滲墻水平位移值較小，即撓度較小，在壩體竣工期后(水庫(kù)未蓄水)可能不會(huì)對(duì)混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。

3.2 方案二結(jié)果分析

由方案一計(jì)算結(jié)果可知：剛、塑形混凝土防滲墻均在刺墻與防滲墻接觸的部位存在較大的拉應(yīng)力，因此方案二對(duì)刺墻彈性模量進(jìn)行改善分析時(shí)刺墻采用1000MPa混凝土材料。

通過(guò)計(jì)算可知，隨著混凝土彈性模量的減少，混凝土受到的壓應(yīng)力逐漸減少。通過(guò)對(duì)比刺墻為C20的混凝土防滲墻受力可以發(fā)現(xiàn)，彈性模量為1000MPa的刺墻和心墻受力得到了明顯的改善，拉、壓應(yīng)力數(shù)值變??；剛性混凝土受到的最大壓應(yīng)力并沒(méi)有減少，塑性混凝土受到的最大壓應(yīng)力有所減少。對(duì)于剛性混凝土防滲墻，刺墻和心墻拉應(yīng)力得到了改善，數(shù)值明顯變?。粚?duì)于塑性混凝土防滲墻，刺墻和心墻拉應(yīng)力改善效果明顯，刺墻及心墻已不存在拉應(yīng)力區(qū)域，受力狀況較好。

綜上所述，可知刺墻采用塑性混凝土效果較好，改善了防滲墻頂部及刺墻、心墻受力狀況，有利于防滲墻及刺墻、心墻的耐久性。

3.3 方案三結(jié)果分析

從計(jì)算結(jié)果中可知，刺墻采用塑形混凝土進(jìn)行施工有利于減小防滲墻及刺墻受力，因此方案三模擬不設(shè)置刺墻。由于在施工過(guò)程中，粘土心墻內(nèi)存在土工膜，因此，實(shí)際中可以不設(shè)置刺墻，改善粘土心墻和防滲墻受力，使其滿足要求。

計(jì)算結(jié)果表明不設(shè)刺墻防滲墻頂部受到的拉、壓應(yīng)力數(shù)值減?。恍膲Φ撞坷瓚?yīng)力明顯減少。即不設(shè)刺墻改善了防滲墻受力，有利于其穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)刺墻采用剛性混凝土?xí)r，防滲墻頂部存在較大的拉、壓應(yīng)力，不利于防滲墻的受力穩(wěn)定；當(dāng)刺墻采用塑性混凝土或不設(shè)刺墻時(shí)，剛性混凝土防滲墻頂部拉應(yīng)力得到明顯的改善，拉應(yīng)力值大幅度減少，塑性混凝土防滲墻不存在拉應(yīng)力區(qū)域，受力狀況良好，滿足抗拉強(qiáng)度要求。

(2)隨著混凝土彈性模量增加以及防滲墻深度增大，混凝土防滲墻的垂直位移均逐漸減少，位移最大值發(fā)生在頂部；混凝土防滲墻的彈性模量對(duì)自身的水平位移及壩體的變形影響均較小。