低彈?；炷练罎B墻彈模值對大壩壓應力的影響

陳 強 ，王 珂

（1.余姚市水利電力建筑勘測設計院，浙江 余姚 315400；2.常州市金壇區(qū)城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213200）

1 問題的提出

混凝土防滲墻廣泛應用于土石壩的除險加固工程中，但在實際工程中暴露了混凝土防滲墻的彈性模量高而極限應變小的問題，在荷載作用下，墻體應力比混凝土的設計強度高出很多，防滲墻體易遭到破壞，防滲效果降低，甚至威脅大壩安全[1]。為提高混凝土防滲墻的安全性，要盡量降低混凝土的彈性模量，同時也要滿足混凝土強度要求[2]，但混凝土的抗壓強度和墻體應力隨彈性模量的降低而降低，且降低比例不一致，降低混凝土的彈性模量，墻體應力減小的數(shù)值遠小于混凝土強度減小的數(shù)值[3-5]。

浙江省提出了彈性模量介于常規(guī)剛性混凝土（大于10 000 MPa）和塑性混凝土（小于1 000 MPa）之間的低彈?；炷?，低彈模混凝土防滲墻可以有效兼顧變形協(xié)調(diào)和自身強度要求[6]。

目前低彈模混凝土防滲墻在國內(nèi)尤其是浙江省內(nèi)得到廣泛應用。郎小燕列出了5個浙江省已完成的除險加固混凝土彈性模量設計取值在1 250~5 000 MPa，抗壓強度為5~9 MPa的大中型水庫，水庫大壩防滲效果良好[7]。尉高洋、李少明等專家和學者對低彈模混凝土防滲墻在水庫大壩除險加固工程中的應用進行研究，低彈模混凝土防滲墻彈模取值基本在2 000~5 000 MPa，而低彈模混凝土強度一般不低于5 MPa且不超過10 MPa，應用價值較高[8-16]。

目前，低彈?；炷练罎B墻彈性模量變化對水庫大壩的運行影響研究主要通過數(shù)值模型研究低彈模混凝土防滲墻的應力應變，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗低彈模混凝土防滲墻的運行效果。

本文基于牟儒的研究成果：防滲墻的應力對墻體自身彈模的敏感性大大高于對周圍壩體填土的敏感性[6]。以吳家園水庫大壩工程為例，通過有限元軟件模擬研究彈性模量取值的變化對低彈模防滲墻應力影響，對比分析大壩運行中混凝土防滲墻應力應變監(jiān)測數(shù)據(jù)，進而論證吳家園水庫大壩在除險加固中采用的低彈模混凝土防滲墻彈模設計值變化對大壩運行效果的影響，研究成果可為同類土石壩除險加固工程提供參考。

2 工程概況

吳家園水庫大壩原為黏土心墻土石壩，壩頂高程49.60 m，最大壩高32.35 m，壩頂長232.60 m，寬6.00 m。2008年實施水庫除險加固工程，除險加固時防滲采用低彈模量混凝土防滲墻，混凝土防滲墻墻頂高程46.00 m，墻底深入壩基弱風化基巖內(nèi)1.00 m，局部有加深，防滲墻最大墻深67.00 m，墻體厚度0.80 m。防滲墻彈性模量設計指標不大于4 800 MPa，抗?jié)B等級為W8，抗壓強度為10 MPa，抗拉強度不低于0.85 MPa。攔河壩標準斷面見圖1。

圖1 大壩標準斷面圖 單位：mm

低彈?；炷练罎B墻作為隱蔽工程，其質(zhì)量好壞需要在施工過程中進行控制，尤其是彈性模量取值，低彈?；炷练罎B墻的應用效果在最終運行中才能完全體現(xiàn)[17]。吳家園水庫大壩在除險加固施工過程中對混凝土試塊進行檢測，最大彈模值為7 376 MPa，抗壓強度、抗拉強度全部合格。施工完成后對混凝土防滲墻工程質(zhì)量實施鉆孔取芯檢測，彈模值均大于設計值，最大彈模值為6 380 MPa，抗壓強度、抗拉強度全部合格。分析認為施工前未進行混凝土配合比試驗，施工使用的混凝土砂率較低，粗骨料用量較多，導致混凝土的強度滿足設計要求而彈性模量偏大。

3 數(shù)值模型及結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模型的建立

吳家園水庫大壩應力計算采用有限元軟件Autobank 7.7建立平面應力應變模型，壩體材料均采用鄧肯-張非線性彈性模型，另設置混凝土防滲墻與周邊土體接觸面，采用逐次增量的方法模擬材料的非線形特性，計算低彈?；炷练罎B墻的應力狀態(tài)。

數(shù)值模型所需的各材料的非線性彈性參數(shù)參考《浙江省蒼南縣吳家園水庫除險加固工程初步設計報告》[18]中的數(shù)據(jù)（見表1）。由于該工程為除險加固工程，并且主體工程已竣工多年，模型計算模擬工況為低彈模防滲墻施工完成，壩體固結(jié)完成，水庫大壩正常運行。本文重點分析2014年運行過程中出現(xiàn)的最不利工況下防滲墻的應力應變情況，根據(jù)《蒼南縣吳家園水庫大壩安全監(jiān)測資料分析報告（2014年）》[19]，2014年度庫水位在31.01~42.50 m范圍內(nèi)，假設最不利工況為水庫水位由最低水位31.01 m上升到最高水位42.50 m。吳家園水庫大壩計算模型壩基兩端采用滑動支座，約束水平向的位移，壩基底部采用固定端支座，約束水平向和豎向位移。應力計算結(jié)果以受壓為正，受拉為負。

表1 吳家園水庫大壩數(shù)值模擬主要參數(shù)表

3.2 計算結(jié)果分析

采用2014年度運行工況下防滲墻的5種彈性模量進行計算，彈性模量分別取2 000，4 000，4 800，6 380，8 000 MPa。為分析混凝土防滲墻彈模變化對防滲墻應力的影響，研究最大壓應力（y向正應力）隨彈模（2 000~8 000 MPa）變化的規(guī)律，數(shù)值模擬計算結(jié)果見表2及圖2。

表2 吳家園水庫大壩數(shù)值模擬結(jié)果表

圖2 防滲墻彈性模量與防滲墻最大壓應力關(guān)系圖

不同彈模值墻體均處于受壓狀態(tài)，變形以彎曲為主，防滲墻墻體底部壓應力最大，為最不利部位，其壓應力隨高度的分布基本相似。整個墻體只有在“L”型防浪墻位置出現(xiàn)拉應力，拉應力分布范圍較小。因此，混凝土防滲墻的強度受壓應力控制。

最大壓應力隨著彈性模量的增大而增大，本次混凝土防滲墻最大壓應力計算結(jié)果為2 340~4 970 kPa。其中，當彈性模量取4 800 MPa時，防滲墻的最大壓應力為4 110 kPa；當彈性模量取6 380 MPa時，防滲墻的最大壓應力為4 700 kPa；均低于防滲墻抗壓強度設計值10 000 kPa。

4 防滲墻應力監(jiān)測資料分析

4.1 監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測資料

根據(jù)《蒼南縣吳家園水庫大壩安全監(jiān)測資料分析報告（2014年）》，選取壩體0+112 m斷面監(jiān)測資料進行分析。大壩應力應變監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。

表3 吳家園水庫大壩應力應變監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，對比相同斷面同一高程處的上下游2個測點測值，整體上防滲墻上下游2個測點壓應變值相差不大。2014年度防滲墻上下游未出現(xiàn)拉應變，混凝土防滲墻基本處于受壓狀態(tài)，壓應變隨高程降低而變大，應變值的變化相對平穩(wěn)，墻體底部應力應變最大，為最不利狀態(tài)。這是由于混凝土防滲墻與基巖連接處出現(xiàn)應力集中，防滲墻底部承受較大壓應力。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果基本一致，監(jiān)測設備埋設高程與最大壓應變關(guān)系見圖3。

圖3 監(jiān)測設備埋設高程與最大壓應變關(guān)系圖

防滲墻混凝土彈模為6 380 MPa時，由實測最大壓應變換算最大壓應力為1 012 kPa，在抗壓強度設計值允許范圍內(nèi)。而數(shù)值模擬時（彈性模量為6 380 MPa），防滲墻的最大壓應力為4 700 kPa，是實測最大壓應力的4.6倍。造成數(shù)值模擬結(jié)果與實測不符的原因主要是數(shù)值模擬計算的工況為假設的最不利工況。

5 結(jié) 論

（1）通過有限元軟件建立吳家園水庫大壩模型，進行數(shù)值模擬計算，模擬結(jié)果表明：隨著彈性模量（2 000~8 000 MPa）的增大，最大壓應力越大，并出現(xiàn)在防滲墻底部。建議在采用低彈模混凝土防滲墻時，抗壓強度設計值不應低于5 MPa。

（2）低彈?；炷练罎B墻應力應變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：混凝土防滲墻基本處于受壓狀態(tài)，壓應變隨高程降低而變大，墻體底部應力應變最大，為最不利狀態(tài)，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。大壩混凝土防滲墻數(shù)值模擬及實際檢測的壓應力數(shù)值均低于抗壓強度設計值，吳家園水庫大壩運行正常。

（3）綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)成果及無損探測檢測結(jié)果，分析低彈模混凝土防滲墻運行使用效果，總結(jié)低彈模混凝土防滲墻設計施工經(jīng)驗，可為類似工程設計施工提供參考。