基于強(qiáng)度折減法的膜袋壩受力變形研究

馮 臻

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830002)

1 概 述

水壩等水利工程不僅為下游社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展提供了重要保障,而且?guī)?dòng)了周邊居民的水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)發(fā)展,但帶來便利的同時(shí)也帶來諸多挑戰(zhàn)。 以普通水壩為例,水壩的修建可以調(diào)節(jié)水位、集中水頭,但其工程量大,施工時(shí)需考慮因素較多,且±石料需求量巨大。 由于雨季、旱季水位的不同,在長期干濕循環(huán)作用下,壩體內(nèi)部的抗變形能力下降,容易造成水壩變形、邊坡失穩(wěn)等現(xiàn)象,進(jìn)而威脅周圍或下游居民的人身財(cái)產(chǎn)安全[1-5]。

為此,許多學(xué)者提出采用±工膜袋修筑膜袋壩的構(gòu)想。 因?yàn)槟ご鼔慰梢栽诠?jié)省大量±石填料的同時(shí),能夠大幅提高水壩壩體的抗變形能力。 為了驗(yàn)證這一構(gòu)想的可行性,對(duì)±工膜袋的工程性質(zhì)和力學(xué)性能進(jìn)行分析研究。 方建瑞[6]提出了樹根樁與±工膜袋聯(lián)合治理水下邊坡穩(wěn)定性不足的方法,通過分析計(jì)算并結(jié)合實(shí)際工程效果發(fā)現(xiàn),樹根樁與±工膜袋聯(lián)合法具有良好的抗滑抗剪能力。 張貞瑜[7]以實(shí)際圍堰工程為例,針對(duì)圍堰±工膜袋的施工技術(shù)進(jìn)行了分析,并對(duì)±工膜袋的施工質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行了探討研究,提出了圍堰±工膜袋施工中質(zhì)量及施工問題應(yīng)對(duì)措施。吳曉光[8]通過李家峽水電站,介紹了滑坡體坍塌體中±工膜袋的應(yīng)用方法,總結(jié)了針對(duì)此類滑坡體中±工膜袋的施工工藝及施工注意要點(diǎn)。

上述研究成果表明,±工膜袋具有較高的穩(wěn)定性和力學(xué)性能。 但對(duì)膜袋壩的作用機(jī)理、變形特征等方面的研究有所欠缺,且實(shí)際情況更為復(fù)雜,針對(duì)膜袋壩的實(shí)際應(yīng)用效果有待進(jìn)一步探討。 因此,本文基于強(qiáng)度折減法,分析膜袋壩在強(qiáng)度降低條件下的力學(xué)和變形特征,為實(shí)際施工應(yīng)用提供一定的理論支撐。

2 工程概況

壩區(qū)位于新疆策勒縣,塔克拉瑪干大沙漠南緣,遠(yuǎn)離海洋,以干旱著稱。 壩線全長1 428.30m,壩頂高程1 311.20m,最大壩高7.7m。 壩前坡從外向里結(jié)構(gòu)：上游壩坡為1：2.5,下游壩坡為1：2,池底高程1 303.50m。

壩體膜袋砼厚15cm,結(jié)構(gòu)型式由上至下依次為：膜袋砼厚15cm+兩布一膜(200g/0. 5mm/200g),為削減風(fēng)浪對(duì)護(hù)坡產(chǎn)生的下滑力,在壩坡腳處設(shè)膜袋砼阻滑墻一道,阻滑墻設(shè)計(jì)寬4m、厚0.15m、埋深40cm;壩頂寬5m,瀝青混凝±路面厚3cm;上游壩肩設(shè)預(yù)制混凝±路沿石,長×寬×高=1m×0.3m×0.5m。

3 模型建立

3.1 參數(shù)及本構(gòu)模型的選取

顆粒流程序PFC 可以通過顆粒之間的接觸,給出相關(guān)的本構(gòu)模型,并以所給出的本構(gòu)模型模擬不同材料的各種性質(zhì)。 同一本構(gòu)模型中,可能包含有多種不同材料或力學(xué)性能差異較大的材料,可通過對(duì)不同材料或力學(xué)性能差異較大的材料進(jìn)行分組膠結(jié),將所采用的本構(gòu)模型差異化,進(jìn)而解決原模型無法具體體現(xiàn)某種特定材料的問題。

顆粒流程序PFC 中總計(jì)包含10 種模型,本文±工膜袋以及膜袋內(nèi)混凝±分別采用接觸黏結(jié)模型和線性模型。 其中,±工膜袋以及膜袋內(nèi)混凝±的本構(gòu)特性見圖1。 圖1 中,Fc為接觸力;TF為抗拉強(qiáng)度;SF為抗剪強(qiáng)度;ks為切向剛度;kn為法向剛度;Dc為接觸間距;μ為摩擦系數(shù)。

圖1 土工膜袋以及膜袋內(nèi)混凝土的本構(gòu)特性

由于膜袋壩由多個(gè)部分組成,因此本文將模型分為±工膜袋、墻體、邊界3 個(gè)部分進(jìn)行參數(shù)選取。

首先對(duì)±工膜袋的參數(shù)進(jìn)行確定。 ±工膜袋為接觸黏結(jié)本構(gòu)模型,其中膜袋顆粒的直徑d為2.0mm,TF為30N,ks與kn均為1 000N/m,μ為0.5,膜袋壩中的顆?？倲?shù)為15 879,接觸總數(shù)為53 518。 由于墻體與顆粒之間接觸模型為線性模型,因此只需要確定3 個(gè)參數(shù),法向剛度kn、剪切剛度與摩擦系數(shù)μ,其取值分別為1×108N/m、1×108N/m 和0.5。 最后需要確定邊界條件,使其處于理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,本文將長度定為0.45m,寬度定為0.03m,膜袋壩壩體高度設(shè)為0.1m。

3.2 折減系數(shù)的確定

強(qiáng)度折減法是基于研究對(duì)象的參數(shù),將其逐漸減少,直至研究對(duì)象發(fā)生破壞,進(jìn)而獲取其安全系數(shù)。 本文研究膜袋壩與其混凝±強(qiáng)度的折減,分析膜袋壩與混凝±強(qiáng)度在穩(wěn)定性降低過程中內(nèi)部變形和應(yīng)力變化特征,以此來揭示±工膜袋對(duì)壩體的穩(wěn)定性增強(qiáng)的內(nèi)在機(jī)理。

折減系數(shù)取值在1.2～3.0 之間,其中每個(gè)取值的增量均為0.2。 在對(duì)顆粒流數(shù)值的計(jì)算中,不設(shè)終止條件,但通常以平衡力小于1×10-5時(shí)認(rèn)為顆粒速度已達(dá)最低,將其定為模型的受力穩(wěn)定狀態(tài)。

4 強(qiáng)度折減下的變形響應(yīng)分析

為了定量體現(xiàn)在強(qiáng)度折減下的膜袋壩變形特征,本文設(shè)置10 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別為B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10。 通過監(jiān)測(cè)強(qiáng)度降低下的膜袋壩水平位移數(shù)據(jù)繪制圖2,圖2 為膜袋壩水平位移隨折減系數(shù)變化圖。

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移與折減系數(shù)變化圖

從圖2 可以看出, 10 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示隨著折減系數(shù)的增大,折減強(qiáng)度的增大穩(wěn)定在總體上呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。 進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn),在折減系數(shù)為2.0 時(shí),各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移均出現(xiàn)波動(dòng),水平位移有小幅度的減小趨勢(shì);折減系數(shù)在2.0 時(shí),為明顯的拐點(diǎn)。 在折減系數(shù)為1.0～2.0 區(qū)間段內(nèi),水平位移增量較大,增長率較大;隨著折減系數(shù)達(dá)到2.0,水平位移小幅度減小之后整體上也呈現(xiàn)出增大趨勢(shì),但增量增幅均不如折減系數(shù)為1.0～2.0 區(qū)間段的水平位移。 與膜袋壩不同的是,均勻邊坡的變形會(huì)隨著折減系數(shù)的增大而增大,并在達(dá)到臨界值后,變形量增長更為劇烈。 產(chǎn)生此種不同現(xiàn)象的內(nèi)在原因在于±工膜袋的存在,不但增強(qiáng)了膜袋與內(nèi)部混凝±的抗剪強(qiáng)度,而且增加了多個(gè)膜袋之間的嵌固和摩擦力,使膜袋壩在實(shí)際受力中更加穩(wěn)定。

為了分析膜袋壩受力的內(nèi)在機(jī)理,通過數(shù)值模型,提取第一層、第二層膜袋總拉力和膜袋壩總拉力,并將6 個(gè)膜袋按1-6 進(jìn)行編號(hào)。 具體見圖3、圖4。

圖3 單層膜袋與膜袋壩總壓力隨折減系數(shù)變化圖

圖4 1-6 號(hào)膜袋第二層膜袋總拉力在不同折減系數(shù)下的變化趨勢(shì)

圖3 為第一層膜袋、第二層膜袋與膜袋壩總壓力隨折減系數(shù)變化圖。 從圖3 可以看出,不論是第一層膜袋、第二層膜袋或是膜袋壩主體,總壓力與折減系數(shù)的變化趨勢(shì)幾乎相同。 具體表現(xiàn)為,隨著折減強(qiáng)度的增大,壩體的總體拉力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。 這一現(xiàn)象佐證了±工膜袋在膜袋壩穩(wěn)定性降低過程中,在膜袋與膜袋之間的嵌固、摩擦等作用下,使其拉力增加,進(jìn)而提高壩體的穩(wěn)定程度,具有比均勻邊坡更高的安全性。

為了進(jìn)一步分析每個(gè)膜袋的拉力變化,以第二層膜袋的總拉力為例,對(duì)1-6 號(hào)膜袋的第二層膜袋總拉力數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析,見圖4。

圖4 為不同折減系數(shù)下的6 個(gè)膜袋總拉力變化趨勢(shì)。 從圖4 可以看出,在折減系數(shù)一定的情況下,第二層膜袋總拉力隨著編號(hào)的增大,其總拉力也隨之越大;同一編號(hào)的膜袋下,折減系數(shù)越大,其膜袋的總拉力越大。 結(jié)合圖5 中不同膜袋的第二層膜袋總拉力隨折減系數(shù)變化情況,可以更進(jìn)一步看出,隨著折減系數(shù)不斷增大,折減強(qiáng)度增加,1-6號(hào)膜袋的拉力整體上均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),并且隨著膜袋編號(hào)的增大,總拉力也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。 因此,結(jié)合圖3 的分析結(jié)果可以得出,單個(gè)膜袋與膜袋壩的拉力變化相同,其膜袋與內(nèi)部或膜袋與膜袋之間的拉力通過壩體層間作用產(chǎn)生,并且隨著壩體穩(wěn)定性的降低逐漸提升,以此來抵抗膜袋壩的失穩(wěn)。 對(duì)比均勻邊坡,膜袋壩由于膜袋與內(nèi)部混凝±以及膜袋與膜袋之間的嵌固、摩擦作用,使膜袋壩形成更為穩(wěn)定的壩體,不會(huì)像普通均勻邊坡那樣破壞具有牽連性,因此±工膜袋構(gòu)筑的膜袋壩的在壩體應(yīng)用上具有更高的穩(wěn)定性。

圖5 不同膜袋的第二層膜袋總拉力隨折減系數(shù)變化情況

5 結(jié) 論

本文以某市河谷壩區(qū)為研究對(duì)象,采用顆粒流程序PFC,構(gòu)建了接觸黏結(jié)模型和線性模型兩種本構(gòu)模型;基于強(qiáng)度折減法,分析在強(qiáng)度降低條件下構(gòu)筑膜袋壩的內(nèi)部應(yīng)力變化特征及變形響應(yīng)規(guī)律。 結(jié)論如下：

1)不論是第一層膜袋、第二層膜袋或是膜袋壩主體,總壓力與折減系數(shù)的變化趨勢(shì)幾乎相同。 具體表現(xiàn)為：隨著折減強(qiáng)度的增大,壩體的總體拉力呈現(xiàn)增大趨勢(shì),驗(yàn)證了±工膜袋在膜袋壩穩(wěn)定性降低過程中,在膜袋與膜袋之間的嵌固、摩擦等作用下,使其拉力增加,進(jìn)而提高壩體的穩(wěn)定程度,具有比均勻邊坡更高的安全性。

2)單個(gè)膜袋與膜袋壩拉力變化相同,膜袋與其內(nèi)部或膜袋與膜袋之間的拉力通過壩體層間作用產(chǎn)生,并隨著壩體穩(wěn)定性的降低逐漸提升,以此來抵抗膜袋壩的失穩(wěn)。