基于典型斷面有限元模型的水庫(kù)加固工程塑性混凝土防滲墻性能研究

溫林山

(韶關(guān)市華源水電建設(shè)有限公司,廣東 韶關(guān) 512026)

0 引 言

2008年以來(lái),混凝土防滲墻逐漸在國(guó)內(nèi)得到較大發(fā)展,部分混凝土防滲工程建設(shè)處于世界領(lǐng)先水準(zhǔn)[1-2]。但剛性混凝土防滲墻自身存在一定局限性,這集中體現(xiàn)在其具有的超高彈性模量上,如一般的剛性混凝土防滲墻的彈性模量高達(dá)10 000MPa[3-4]。高彈性模量使該類(lèi)防滲墻與其周?chē)馏w難以保持變形協(xié)調(diào),因而防滲墻頂及其側(cè)面的受力會(huì)相對(duì)增加,導(dǎo)致墻體損壞的風(fēng)險(xiǎn)增加,也威脅著水壩的安全[5]。塑性混凝土由于采用黏土或膨潤(rùn)土替代防滲墻中部分水泥用量,使其具備了低彈性模量同時(shí)高滲透性的特點(diǎn)[6]。此外,由于塑性混凝土采用較低含量的水泥材料,其適應(yīng)周?chē)馏w變形能力增強(qiáng),因此具有較高的抗裂能力。從經(jīng)濟(jì)效益上考慮,由于塑性混凝土原材料可以就地取材,因此效益更高。鑒于此,本文基于有限元法,分析不同配合比下塑性混凝土防滲墻的抗壓性能。

1 基于ABAQUS的塑性混凝土防滲墻性能分析

1.1 防滲墻加固施工分析

防滲墻屬于地下連續(xù)防滲墻體。在墻體上鑿孔或挖孔后,待填充的防滲材料將被澆筑于孔中,從而得到防滲墻。塑性混凝土防滲墻屬于應(yīng)用較廣的一種防滲墻。在原材料的用量上,塑性混凝土防滲墻中,水泥含量較低,而膨潤(rùn)土和黏土等含量較高,這種配比特點(diǎn)可使其具備較好的抗?jié)B性能以及抗震性能[7]。圖1為水利工程中防滲設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

圖1 防滲設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

從圖1可以看出,防滲設(shè)計(jì)首先需要進(jìn)行墻體材料和墻體厚度的選取,然后進(jìn)行滲流計(jì)算以及結(jié)構(gòu)計(jì)算,最后確定防滲墻與其他建筑的連接方式,并對(duì)之進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)。防滲墻厚度設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于防滲耐久性設(shè)計(jì)。對(duì)于防滲墻而言,其耐久性水平主要與防止?jié)B流侵蝕以及防止化學(xué)溶蝕有關(guān),而這兩種對(duì)墻體的破壞效應(yīng)與水力梯度緊密相連。因此,防滲墻厚度最終取決于水力梯度大小[8]。一般而言,水力梯度取值在50～60之間。墻體深度則取決于土石壩類(lèi)型,當(dāng)土石壩非新建類(lèi)型而是需要除險(xiǎn)加固時(shí),墻體深度不僅要考慮壩基部分,還需要將壩體部分考慮在內(nèi)。

造孔施工準(zhǔn)備是防滲墻施工的重點(diǎn)。防滲墻的性能好壞由槽孔精度直接決定,所以造孔成槽工序?qū)⒃趬w設(shè)計(jì)過(guò)程中占據(jù)50%的施工期限。為了獲得良好的造孔質(zhì)量,槽孔的定位放樣需要按照設(shè)計(jì)方案嚴(yán)格執(zhí)行,且需要將導(dǎo)向槽置于槽孔上方,以實(shí)現(xiàn)對(duì)槽孔方向的調(diào)控[9]。此外,為了提升工程效率,挖槽時(shí)需要進(jìn)行分段處理,且對(duì)于每一個(gè)槽段,應(yīng)分出主孔和副孔。

1.2 塑性混凝土抗壓強(qiáng)度分析

塑性混凝土由水泥、黏土、膨潤(rùn)土等原材料構(gòu)成。原材料使用量的差異帶來(lái)混合比的不同,進(jìn)而使塑性混凝土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。本研究旨在考察不同混合比下,塑性混凝土隨每種原材料含量變化的力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)儀器液壓式壓力測(cè)試機(jī)主要由液壓機(jī)、測(cè)力計(jì)以及傳感器組成。液壓機(jī)用于對(duì)試件施加外壓;測(cè)力計(jì)用于顯示試驗(yàn)力的大小;傳感器包含記錄荷載數(shù)據(jù)的壓力傳感器以及記錄試件位移變化的位移傳感器。參考相關(guān)技術(shù)參數(shù),實(shí)驗(yàn)時(shí)最大試驗(yàn)力取600kN,試驗(yàn)力取值范圍240～600kN,壓力示數(shù)相對(duì)誤差應(yīng)低于1%,壓盤(pán)間距500mm。圖2為塑性混凝土坍落度試驗(yàn)示意圖[10]。

圖2 坍落度試驗(yàn)示意圖

在進(jìn)行試件坍落度試驗(yàn)之前,坍落度桶需要保持干凈和一定濕度。將坍落度桶放在鋼板上,并與鋼板緊密接觸。之后,塑性混凝土試件分3層裝進(jìn)漏斗,且需要保持各層試件體積相當(dāng)。試驗(yàn)中,還需要使用一根金屬棒,在坍落度桶中進(jìn)行插搗操作。插搗操作完成后,需要將坍落度桶放在試件旁邊,兩者頂部高度差即為坍落度,單位為mm。試件擴(kuò)散完成后,對(duì)應(yīng)的直徑為擴(kuò)展度,單位為mm。立方體抗壓強(qiáng)度值及圓柱體抗壓彈性模量計(jì)算表達(dá)式如下:

(1)

式中:F為試件臨近損壞時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載大小,N;A為試件受力面積,mm2;pcc為立方體抗壓強(qiáng)度值,MPa。Ec為靜力作用下的抗壓彈性模量,MPa;F2、F1分別為40%占比的試件最大荷載以及20%的試件最大荷載,N;ΔL為應(yīng)力F1增加到F2過(guò)程中試件形變量,mm;L為標(biāo)距,mm。

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及圓柱體抗壓彈性模量試驗(yàn)均是通過(guò)對(duì)試件施加荷載來(lái)測(cè)量試件的形變大小,區(qū)別在于前者使用的是立方體試件,后者采用的是圓柱體試件。

1.3 基于ABAQUS有限元軟件的非線性分析

線性有限元分析要求土體材料的應(yīng)力和變形曲線按照虎克定律變化,同時(shí)要求其變形位移微小,并處于理想約束條件。但塑性混凝土屬于非線性材料,其應(yīng)力應(yīng)變曲線屬于非線性變化。不僅如此,荷載大小的改變、環(huán)境因素的改變均會(huì)帶來(lái)非線性因素。鑒于此,本研究選用具備較強(qiáng)非線性處理功能的有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值分析。該軟件包含兩個(gè)主求解器模塊,分別是ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。圖3為非線性分析的3種類(lèi)型。

圖3 非線性分析的3種類(lèi)型

從圖3可知,非線性問(wèn)題包含幾何非線性、邊界非線性以及材料非線性。其中,幾何非線性是指在大撓度或者大彈跳的情況下,材料由于位移量過(guò)大而明顯存在的非線性問(wèn)題。幾何非線性根據(jù)應(yīng)變大小,可分為位移較大同時(shí)應(yīng)變較大與位移較大但應(yīng)力較小兩種情況。本研究選用ABAQUS/Standard靜力分析步中的nelgon開(kāi)關(guān),來(lái)處理幾何非線性問(wèn)題。邊界非線性源自接觸面的不斷移動(dòng),一旦接觸面因頻繁移動(dòng)而彼此分離,那么模型結(jié)果將無(wú)法獲得收斂。因此,本研究將采用六自由度的模型,以求獲得更高的穩(wěn)定性。材料非線性是指由材料自身屬性或者溫度變化等因素帶來(lái)的非線性,采用鄧肯張E-B本構(gòu)模型來(lái)模擬材料非線性。鄧肯張E-B本構(gòu)模型數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

(2)

式中:Et為切線變形模量;K、n分別為切線模量基數(shù)和切模量指數(shù);c為凝聚力;φ、Rf分別為內(nèi)摩擦角和損壞比例;Eur為切線彈性模量;Kur、nur為試驗(yàn)系數(shù);Bt為體積彈性模量系數(shù);m為體積模量指數(shù);pa為大氣壓。

2 水庫(kù)加固工程塑性混凝土防滲墻性能結(jié)果分析

2.1 工程概況

乳源瑤族自治縣病險(xiǎn)山塘水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程(第一標(biāo)段:大橋鎮(zhèn)),規(guī)劃建安工程費(fèi)約2 000萬(wàn)元,勘察設(shè)計(jì)費(fèi)約110萬(wàn)元,合計(jì)約2 110萬(wàn)元。本標(biāo)段包括大橋鎮(zhèn)共12個(gè)村50座病險(xiǎn)山塘水庫(kù)除險(xiǎn)加固,其中小(Ⅰ)型水庫(kù)2座,其余山塘水庫(kù)為小(Ⅱ)型,這50座山塘水庫(kù)是大橋鎮(zhèn)約3萬(wàn)人的主要飲用水源之一。同時(shí),還承擔(dān)著大橋鎮(zhèn)及周邊區(qū)域農(nóng)田灌溉、攔洪蓄水和調(diào)節(jié)水流等重要功能,解決下游0.1467×104hm2農(nóng)田灌溉用水,下游區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)可由10年一遇提高至50年一遇,并減少洪水威脅,對(duì)本區(qū)域環(huán)境具有積極的保護(hù)作用。

主要建設(shè)內(nèi)容為:2座小(Ⅰ)型水庫(kù)的大壩采用塑性混凝土防滲墻加固,防滲墻布置于壩頂上游坡一側(cè),距壩軸線2m。防滲墻總長(zhǎng)度133.35m,厚度為0.6m,墻底進(jìn)入弱風(fēng)化巖不少于1m。防滲墻施工后,重建C30鋼筋混凝土防浪墻,重建壩頂路面。輸水隧洞加固是先對(duì)現(xiàn)狀鋼管周邊進(jìn)行灌漿,孔徑52mm,每排6孔,排距3.0m,孔深1m,灌漿壓力初定0.5MPa,灌漿完成后,再進(jìn)行套管灌漿,新管直徑1.0m,壁厚10mm,長(zhǎng)度110m。最后,對(duì)新鋼管與現(xiàn)有鋼管間灌漿填充。小(Ⅱ)型山塘水庫(kù)進(jìn)行壩坡混凝土護(hù)面加固,壩頂新建路面,完善壩坡排水設(shè)施,重建或維修溢洪道、交通橋、放水涵、輸水底涵等。加固完成后,能充分發(fā)揮這批山塘水庫(kù)的防洪、灌溉、供水、環(huán)保等功能。

2.2 塑性混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

為了考察水泥、黏土和膨潤(rùn)土含量變化下塑性混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律,本研究在原材料用量上設(shè)定5個(gè)等級(jí)。對(duì)于水泥原材料,用量分別為120、140、160、180和200kg/m3。對(duì)于黏土原材料,用量分別為60、80、100、120和140kg/m3。對(duì)于膨潤(rùn)土原材料,用量分別為0、60和120kg/m3。圖4為不同水泥用量下的立方體抗壓強(qiáng)度和圓柱體抗壓強(qiáng)度變化曲線。

圖4 不同水泥用量下立方體抗壓強(qiáng)度和圓柱體抗壓強(qiáng)度變化曲線

從圖4可知,隨著水泥含量從120kg/m3增加至200kg/m3,無(wú)論是立方體抗壓強(qiáng)度還是圓柱體抗壓強(qiáng)度均呈遞增趨勢(shì),但抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度則呈遞減趨勢(shì)。當(dāng)水泥含量為140kg/m3時(shí),7d齡期和28d齡期兩種抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率均高于30%。對(duì)于7d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強(qiáng)度最低為1.3MPa,最高為4.4MPa;其圓柱體抗壓強(qiáng)度最低為1.1MPa,最高為3.6MPa。對(duì)于28d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強(qiáng)度最低為2.9MPa,最高為6.0MPa;其圓柱體抗壓強(qiáng)度最低為2.3MPa,最高為4.9MPa。

圖5為不同黏土用量下立方體抗壓強(qiáng)度和圓柱體抗壓強(qiáng)度變化曲線。

圖5 不同黏土用量下立方體抗壓強(qiáng)度和圓柱體抗壓強(qiáng)度變化曲線

從圖5可知,隨著黏土含量從60kg/m3增加至140kg/m3,無(wú)論是立方體抗壓強(qiáng)度還是圓柱體抗壓強(qiáng)度均呈先減后趨于水平的變化趨勢(shì)。當(dāng)黏土用量從60kg/m3增加至80kg/m3時(shí),7d齡期和28d齡期的塑性混凝土兩種抗壓均下降超過(guò)10%。對(duì)于7d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強(qiáng)度最低為2.7MPa,最高為3.0MPa;其圓柱體抗壓強(qiáng)度最低為2.1MPa,最高為2.6MPa。對(duì)于28d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強(qiáng)度最低為5.0MPa,最高為6.2MPa;其圓柱體抗壓強(qiáng)度最低為4.2MPa,最高為5.3MPa。

圖6為不同膨潤(rùn)土用量下立方體抗壓強(qiáng)度和圓柱體抗壓強(qiáng)度變化曲線。

圖6 不同膨潤(rùn)土用量下立方體抗壓強(qiáng)度和圓柱體抗壓強(qiáng)度變化曲線

從圖6可知,隨著膨潤(rùn)土含量從0kg/m3增加至120kg/m3,無(wú)論是立方體抗壓強(qiáng)度還是圓柱體抗壓強(qiáng)度均呈遞減趨勢(shì)。當(dāng)膨潤(rùn)土用量從0kg/m3增加至60kg/m3時(shí),7d齡期和28d齡期的塑性混凝土兩種抗壓均下降超過(guò)15%;當(dāng)膨潤(rùn)土用量從60kg/m3增加至120kg/m3時(shí),7d齡期和28d齡期的塑性混凝土兩種抗壓均下降超過(guò)40%。對(duì)于7d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強(qiáng)度最低為1.0MPa,最高為3.0MPa;其圓柱體抗壓強(qiáng)度最低為0.86MPa,最高為2.6MPa。對(duì)于28d齡期的塑性混凝土而言,其立方體抗壓強(qiáng)度最低為1.7MPa,最高為3.6MPa;其圓柱體抗壓強(qiáng)度最低為1.47MPa,最高為3.1MPa。

3 結(jié) 論

塑性混凝土因其良好的防滲性能以及協(xié)調(diào)變形能力,在水利工程中得到廣泛應(yīng)用。為了研究不同原材料配合比下塑性混凝土的防水性能,本文通過(guò)有限元法對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果顯示,當(dāng)水泥含量從120kg/m3增至200kg/m3時(shí),塑性混凝土7d圓柱體抗壓強(qiáng)度在1.1～3.6MPa之間變化,28d圓柱體抗壓強(qiáng)度在 2.3～4.4MPa之間變化。當(dāng)黏土含量在60kg/m3增至140kg/m3時(shí),塑性混凝土7d齡期圓柱體抗壓強(qiáng)度在2.1～2.6MPa之間變化,28d齡期圓柱體抗壓強(qiáng)度在4.2～5.3MPa之間變化。表明所提方法能夠較好進(jìn)行抗壓強(qiáng)度計(jì)算,因此具有一定應(yīng)用潛力。