混凝土防滲墻內(nèi)力及變形影響因素分析

邱曾浩

(中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,南昌 330029)

1 概 述

水庫(kù)大壩的防滲問(wèn)題關(guān)系著土石壩的安全運(yùn)營(yíng)。針對(duì)混凝土防滲墻的內(nèi)力及變形影響因素,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。孫明權(quán)等[1]采用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,系統(tǒng)研究了影響混凝土防滲墻內(nèi)力及變形的因素。結(jié)果表明,墻端約束形式、基巖強(qiáng)度以及壩體材料都會(huì)對(duì)混凝土防滲墻墻體位移和應(yīng)力產(chǎn)生影響,其中材料參數(shù)是影響防滲墻變形的主要原因。謝江松等[2]基于數(shù)值分析算法,系統(tǒng)研究了石壩防滲墻內(nèi)力與變形特性。結(jié)果表明,在蓄水工況下,防滲墻上下游側(cè)水平應(yīng)力均為壓應(yīng)力,且隨著深度的增加而增加。此外,基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果,可對(duì)防滲墻進(jìn)行配筋驗(yàn)算。周健等[3]基于Autobank數(shù)值計(jì)算軟件,系統(tǒng)研究了土石壩加固工程中的防滲墻應(yīng)力變形。結(jié)果表明,滲流是導(dǎo)致混凝土防滲墻下部背水側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力的主要影響因子。任翔等[4]基于Biot固結(jié)理論,研究了土石壩超深混凝土防滲墻變形與受力機(jī)理。結(jié)果表明,庫(kù)水位波動(dòng)對(duì)防滲墻的內(nèi)力及變形影響較小。此外,非直線型大壩拐彎處的混凝土防滲墻,底部墻體應(yīng)力會(huì)增大,實(shí)際工程中應(yīng)進(jìn)行加固。余翔等[5]基于三維數(shù)值有限元,研究了混凝土防滲墻變形與應(yīng)力分布特性。結(jié)果表明,防滲墻岸坡附近的彎曲變形在滿蓄水位工況下最大,墻體下游側(cè)岸坡附近受到拉應(yīng)力,且墻體下游側(cè)拉應(yīng)力與下游墻面夾角為30°。

目前,在土石壩相關(guān)分析中,多數(shù)研究都是針對(duì)單一剛度的防滲墻進(jìn)行的。因此,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,建立數(shù)值計(jì)算模型,系統(tǒng)分析防滲墻變形影響因素。研究成果可為防滲墻的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況與數(shù)值模型

本文研究的土石壩壩高43m,頂寬4m。防滲墻采用封閉式防滲墻,覆蓋層厚度60m。鉆孔資料顯示,由上到下可分為4種不同土質(zhì),最底層為弱風(fēng)化基巖層。最終建立的數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格總數(shù)為3 201個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 268個(gè)。大壩典型斷面見(jiàn)圖1。

為了研究防滲墻力學(xué)性能差異,根據(jù)壩體典型剖面,建立數(shù)值計(jì)算模型。其中,順河流方向設(shè)為X軸,高度方向?yàn)閆軸。防滲墻混凝土采用C20混凝土,混凝土彈性模量28GPa,基巖的彈性模量20GPa,泊松比均為0.21。覆蓋層以及灌漿區(qū)材料均采用Duncan-Chang本構(gòu)模型,混凝土材料采用均值線彈性模型。此外,閘底板與覆蓋層增加Goodman接觸面單元,接觸面單元參數(shù)取值為K1=2 500,n=0.667,Rf=0.76,α=38°。其他材料的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。表1中,K為模量參數(shù);n為無(wú)量綱指數(shù);Rf為破壞比系數(shù);m為體積模量指數(shù)。

圖1 大壩典型剖面圖

計(jì)算時(shí),考慮防滲墻厚度為1m,分別選取空接頭和剛性結(jié)構(gòu)兩種工況進(jìn)行計(jì)算。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)匯總

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)構(gòu)型式對(duì)防滲墻內(nèi)力及變形的影響

防滲墻不同厚度工況對(duì)防滲墻最大主應(yīng)力及水平位移的影響見(jiàn)圖2。由圖2(a)可知,相同厚度防滲墻情況下,防滲墻的最大主應(yīng)力隨著高程的增大而減小;相同工況下,防滲墻的最大主應(yīng)力隨著厚度的減小而增大。當(dāng)防滲墻厚度為0.6m時(shí),對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力位于墻底位置,最大值為59MPa;當(dāng)防滲墻厚度為1.0m時(shí),對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力位于墻底位置,最大值為16MPa;當(dāng)防滲墻厚度為1.4m時(shí),對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力位于墻底位置,最大值為40MPa。此外,防滲墻最大主應(yīng)力在地層變化處發(fā)生突變,主要是由于材料變化導(dǎo)致產(chǎn)生的應(yīng)力集中造成的。由圖2(b)可知,防滲墻的水平位移隨著高度的增大而增大,最大位移發(fā)生在墻頂位置處;防滲墻的水平位移隨著防滲墻厚度的減小而增大,防滲墻厚度對(duì)防滲墻的水平位移影響不顯著。總體來(lái)看,在其他條件不變的情況下,增大防滲墻厚度可顯著減小墻體的最大主應(yīng)力,但不能明顯減小防滲墻的位移。

圖2 防滲墻厚度對(duì)主應(yīng)力和位移的影響

防滲墻與壩體的接頭型式(硬接頭和空接頭)對(duì)墻體的最大主應(yīng)力和水平位移的影響見(jiàn)圖3。由圖3(a)可知,對(duì)于剛性接頭和空接頭而言,隨著高程的增大,防滲墻最大主應(yīng)力逐漸減小。在其他條件不變的情況下,剛性接頭的最大主應(yīng)力要略大于空接頭。其主要原因是由于剛性結(jié)構(gòu)是防滲墻和蓋板采用剛性連接,而空接頭是兩者之間留有足夠大的空間,導(dǎo)致頂部受到的約束較小,緩解了防滲墻的最大主應(yīng)力。其中,剛性接頭最大主應(yīng)力值為8 500MPa,而空接頭最大主應(yīng)力值為8 400MPa。總體來(lái)看,兩種接頭形式對(duì)墻體的最大主應(yīng)力影響不顯著。由圖3(b)可知,對(duì)于剛性接頭和空接頭而言,隨著高程的增大,防滲墻的水平位移增大。但在高程為1 860m時(shí),位移出現(xiàn)了突變,可能是由于材料變化所引起的?？傮w來(lái)看,兩種接頭形式對(duì)墻體的最大位移影響不顯著,兩種接頭形式的最大位移為180mm。

圖3 結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)主應(yīng)力和位移的影響

3.2 材料參數(shù)對(duì)防滲墻內(nèi)力及變形的影響

混凝土彈性模量對(duì)防滲墻蓄水期最大主應(yīng)力和水平位移的影響見(jiàn)圖4。由圖4(a)可知,其他條件不變的情況下,防滲墻最大主應(yīng)力隨著混凝土彈性模量的增大而增大,相對(duì)于接頭形式對(duì)防滲墻最大主應(yīng)力的影響,降低混凝土彈性模量能夠顯著減小防滲墻的最大主應(yīng)力。當(dāng)彈性模量為28GPa時(shí),對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力值為60MPa;當(dāng)彈性模量為10GPa時(shí),對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力值為55MPa;當(dāng)彈性模量為5GPa時(shí),對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力值為51MPa;當(dāng)彈性模量為2GPa時(shí),對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力值為48MPa;當(dāng)彈性模量為1GPa時(shí),對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力值為46MPa;當(dāng)彈性模量為0.6GPa時(shí),對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力值為45MPa。顯然,隨著混凝土強(qiáng)度的減小,當(dāng)彈性模量減小到一定程度時(shí),對(duì)墻體的最大主應(yīng)力的影響越來(lái)越小。由圖4(b)可知,防滲墻的最大水平位移在不同彈性模量下基本相同,表明混凝土彈性模量對(duì)墻體的位移影響不顯著。實(shí)際上,墻體的水平位移受覆蓋層物理性質(zhì)影響最大。

圖4 混凝土彈模對(duì)防滲墻蓄水期最大主應(yīng)力和水平位移的影響

為了研究不同覆蓋層與防滲墻接觸時(shí)對(duì)墻體的最大主應(yīng)力和水平位移的影響,本文計(jì)算了4種不同工況:工況1為所有覆蓋層均為表1中的(1)類(lèi)材料;工況2為所有覆蓋層均為表1中的(2)類(lèi)材料;工況3為所有覆蓋層均為表1中的(3)類(lèi)材料;工況4為所有覆蓋層均為表1中的(4)類(lèi)材料。

覆蓋層屬性對(duì)防滲墻最大主應(yīng)力的影響見(jiàn)圖5。由圖5可知,在覆蓋層強(qiáng)度從大到小依次為(4)至(1)情況下,防滲墻的最大主應(yīng)力由大到小順序?yàn)?4)、(2)、(1)和(3)。其中,方案4工況下,對(duì)應(yīng)的墻體最大主應(yīng)力為30MPa;方案3工況下,對(duì)應(yīng)的墻體最大主應(yīng)力為55MPa;方案2工況下,對(duì)應(yīng)的墻體最大主應(yīng)力為35MPa;方案1工況下,對(duì)應(yīng)的墻體最大主應(yīng)力為45MPa。表明覆蓋層材料越好,對(duì)防滲墻變形約束作用越強(qiáng),防滲墻穩(wěn)定性越高。

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬,研究了混凝土防滲墻內(nèi)力及變形影響因素,系統(tǒng)分析了接頭型式及材料參數(shù)對(duì)防滲墻內(nèi)力及變形的影響。結(jié)論如下:

1)防滲墻的最大主應(yīng)力隨著高程的增大而減小;防滲墻的水平位移隨著防滲墻厚度的減小而增大。總體來(lái)看,在其他條件不變的情況下,增大防滲墻厚度可顯著減小墻體的最大主應(yīng)力,但不能明顯地減小防滲墻的位移。

2)對(duì)于剛性接頭和空接頭而言,隨著高程的增大,防滲墻最大主應(yīng)力逐漸減小。在其他條件不變的情況下,剛性接頭的最大主應(yīng)力要略大于空接頭。此外,兩種接頭形式對(duì)墻體的最大位移影響不顯著,兩種接頭形式的最大位移為180mm。

3)防滲墻最大主應(yīng)力隨著混凝土彈性模量的增大而增大,而防滲墻的最大水平位移在不同彈性模量下基本相同,表明混凝土彈性模量對(duì)墻體的位移影響不顯著。此外,覆蓋層材料越好,對(duì)防滲墻變形約束作用越強(qiáng),防滲墻穩(wěn)定性越高。