聚丙烯纖維混凝土框格梁加固土石壩背水壩坡效果評(píng)價(jià)

陳遠(yuǎn)奇

(遼寧澤峰水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 沈陽 110000)

近年來，我國的經(jīng)濟(jì)獲得快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也步入新一輪快速發(fā)展期。其中，水利工程建設(shè)是我國社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容，對(duì)保證我國有限水資源的合理調(diào)配和運(yùn)用，保障水資源使用和供給安全具有重要意義。受到工程技術(shù)和成本等因素的影響，我國的水利工程，特別是小型水利工程建設(shè)領(lǐng)域，土石壩仍舊是主要壩型，占據(jù)了全國大壩的絕大部分。其中許多土石壩建成年代久遠(yuǎn)，加上自然災(zāi)害的影響，多數(shù)大壩亟待除險(xiǎn)加固。在傳統(tǒng)的土石壩背水壩坡除險(xiǎn)加固過程中，往往采用放緩邊坡、開挖換填以及壓重固腳等工程技術(shù)措施，而這些措施往往存在經(jīng)濟(jì)性差、施工周期長等諸多不利之處。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土框格梁具有強(qiáng)度高、整體性好、耐久性好以及施工技術(shù)成熟等諸多優(yōu)勢(shì)，在填筑邊坡防護(hù)工程中應(yīng)用十分廣泛。但是，許多小型土石壩地處偏遠(yuǎn)，交通不便，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框格梁加固背水邊坡時(shí)存在施工不便、工期長、施工質(zhì)量不易控制等諸多問題?；诖耍舜窝芯刻岢隼镁郾├w維混凝土代替現(xiàn)澆鋼筋混凝土，結(jié)合噴射機(jī)濕噴作業(yè)制作邊坡框格梁的材料和技術(shù)思路，以降低施工難度、提高施工質(zhì)量，合理控制工期。

1 評(píng)價(jià)計(jì)算模型

1.1 FLAC3D軟件

FLAC3D軟件是美國ITASCA公司推出的一款大型商用三維有限元軟件，是一個(gè)有限差分程序。該軟件使用的是顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，對(duì)材料破壞和流動(dòng)的模擬十分準(zhǔn)確，為巖體力學(xué)研究和工程問題的分析解決提供了有效的思路和方法，可以模擬巖土工程領(lǐng)域的錨桿、格柵、樁等各種不同的結(jié)構(gòu)單元。同時(shí)，其內(nèi)嵌的FISH語言可以實(shí)現(xiàn)軟件功能，以解決較為復(fù)雜的巖土工程計(jì)算和評(píng)價(jià)問題。

1.2 模型的構(gòu)建

此次研究以某除險(xiǎn)加固工程土石壩為工程背景進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建。其土體模型的平面尺寸在50m×20m，高為20m，坡度為1∶1.8。模型的下部為固定邊界，后側(cè)和兩側(cè)為滑動(dòng)邊界。模型離散為24350個(gè)單元和26911個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。模型選用摩爾-庫倫模型和彈性模型。其中，摩爾-庫倫模型主要被用于描述巖石和土體的剪切破壞，彈性本構(gòu)模型主要被用于計(jì)算邊坡的初始應(yīng)力場(chǎng)。

在此次數(shù)值模擬研究中，為了獲取聚丙烯纖維混凝土框格梁的工程應(yīng)用意義和價(jià)值，需要將其和傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框格梁的加固效果進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。由于2種框格梁采取的是不同的結(jié)構(gòu)材料，因此必須要選擇合適的結(jié)構(gòu)單元，模擬邊坡和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用。在FLAC3D有限元軟件中，自帶有豐富且功能十分強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)單元模型。研究中借助混凝土框格梁以及錨桿領(lǐng)域的最新研究成果，考慮框格梁的梁體和土體之間的相互作用，采用軟件中的梁單元進(jìn)行模擬。根據(jù)背景工程的實(shí)際情況，框格梁的每格邊長設(shè)定為6.0m，其截面的尺寸為0.4m×0.4m。根據(jù)軟件中的指導(dǎo)書，全部混凝土框格梁采用相同的ID號(hào)。綜合考慮計(jì)算結(jié)果的精確度和計(jì)算量，每段框格梁離散成12個(gè)梁單元，13個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)合研究的實(shí)際需求進(jìn)行參數(shù)選擇，確定其具體取值，結(jié)果見表1。

表1 框格梁單元計(jì)算參數(shù)

模擬實(shí)驗(yàn)中的錨桿采用cale線性結(jié)構(gòu)單元模擬，其主要由2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間線段組成，具有2個(gè)不同的自由度。對(duì)模型中的框格梁、錨桿以及實(shí)體單元之間利用剛性連接。由于錨桿屬于典型的彈塑性材料，其與研究有關(guān)的主要是自身的力學(xué)性以及和周圍結(jié)構(gòu)之間的剪切作用特征。此次研究中采用的錨桿位于框格梁的立柱和橫梁的交接部位，為直徑28mm的普通螺紋鋼，錨桿采用PO42D5R 普通硅酸鹽水泥漿二次注漿工藝，第二次為注漿壓力不小于2.0MPa的高壓注漿。結(jié)合工程實(shí)際，此次研究中采用如下錨桿單元參數(shù)：彈性模量255GPa；抗拉強(qiáng)度3000kN；橫截面積0.00062m2；水泥漿剪切剛度130GPa；水泥漿黏結(jié)力14N/m；水泥漿外圈周長0.35m。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

1.3 模擬工況

為了評(píng)價(jià)聚丙烯纖維混凝土框格梁加固土石壩邊坡的工程效果，模擬試驗(yàn)設(shè)置了兩種不同的工況。其中，工況1為一般工況，該工況僅考慮大壩自重應(yīng)力；工況2為飽和工況，主要考慮大壩自重+地下水+暴雨。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 位移分析

利用上節(jié)構(gòu)建的三維有限元元模型對(duì)無加固措施、聚丙烯纖維混凝土框格梁和鋼筋混凝土框格梁加固條件下的大壩背水坡位移進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取水平位移、豎向位移和總位移最大值，結(jié)果見表2。

表2 各向位移最大值計(jì)算結(jié)果 單位：mm

由表2中的結(jié)果可以看出，在無加固條件下，工況1和工況2的豎向位移、水平位移和總位移的最大位移量均較大，說明對(duì)大壩背水坡采取加固措施極為必要，并且可以在限制大壩位移變形方面發(fā)揮良好的工程價(jià)值。以總位移為例，在工況1條件下，采用聚丙烯纖維混凝土框格梁和鋼筋混凝土框格梁加固的總位移最大值分別為1.24、1.22mm，與無加固條件下13.5mm的總位移最大值相比，分別減小了約90.8%和90.9%，發(fā)揮了顯著的位移變形控制作用。從2種不同的加固方案對(duì)比來看，聚丙烯纖維混凝土框格梁的水平位移、豎向位移和總位移相對(duì)較大，但是和鋼筋混凝土框格梁加固方式的位移量最大值比較接近。仍以總位移為例，在工況1條件下，聚丙烯纖維混凝土框格梁的總位移為1.24mm，與鋼筋混凝土框格梁加固方式相比增加約1.64%；在工況2條件下，聚丙烯纖維混凝土框格梁的總位移為6.44mm，與鋼筋混凝土框格梁加固方式相比增加約1.86%。由此可見，采用聚丙烯纖維混凝土框格梁可以取得相近的位移控制效果。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

利用上節(jié)構(gòu)建的三維有限元元模型對(duì)無加固措施、聚丙烯纖維混凝土框格梁和鋼筋混凝土框格梁加固條件下的大壩背水坡水平應(yīng)力和剪應(yīng)變進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取水平應(yīng)力和剪應(yīng)變最大值，結(jié)果見表3。

表3 水平應(yīng)力、剪應(yīng)變最大值計(jì)算結(jié)果

由表3中的結(jié)果可以看出，采取加固措施與無加固措施相比，水平應(yīng)力和剪應(yīng)變的最大值明顯減小，說明對(duì)大壩背水坡采取加固措施可以有效控制坡面內(nèi)部的水平應(yīng)力和剪應(yīng)變，對(duì)保持大壩背水坡安全穩(wěn)定具有重要價(jià)值。從2種不同的加固措施對(duì)比來看，其對(duì)水平應(yīng)力和剪應(yīng)變的控制效果基本相同，這說明用聚丙烯纖維混凝土框格梁可以獲得與鋼筋混凝土框格梁基本相同的加固效果。

2.3 穩(wěn)定性分析

利用上節(jié)構(gòu)建的三維有限元元模型對(duì)無加固措施、聚丙烯纖維混凝土框格梁和鋼筋混凝土框格梁加固條件下的大壩背水坡完全穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 安全穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表4中的結(jié)果可以看出，在工況1無加固措施條件下，壩坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.122，處于穩(wěn)定狀態(tài)，在工況2無加固措施條件下，壩坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)為0.992，存在一定的失穩(wěn)危險(xiǎn)。因此需要對(duì)壩坡采取加固措施，保證極端不利工況下的壩坡安全穩(wěn)定。在采取加固措施之后，壩坡的安全穩(wěn)定系數(shù)大幅提升，且2種加固方式的安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果比較接近，說明采取聚丙烯纖維混凝土框格梁可以獲得與鋼筋混凝土框格梁基本相同的加固效果。

3 結(jié)論

此次研究以某土石壩為工程背景，通過數(shù)值模擬的方式探討了聚丙烯纖維混凝土框格梁的加固效果和工程價(jià)值，獲得的結(jié)論如下。

(1)無加固措施條件下，壩坡的位移量、水平應(yīng)力、剪應(yīng)變值較大，安全穩(wěn)定性系數(shù)較低，存在失穩(wěn)危險(xiǎn)，需要進(jìn)行加固。

(2)采取加固措施之后，壩坡的位移量、水平應(yīng)力、剪應(yīng)變值大幅減小，安全穩(wěn)定性系數(shù)顯著增大，加固效果良好。

(3)2種加固措施相比，聚丙烯纖維混凝土框格梁的加固效果和鋼筋混凝土框格梁基本相當(dāng)，可以在工程設(shè)計(jì)建設(shè)中采用。