防滲墻參數(shù)變化對壩坡穩(wěn)定性的影響研究

呂良健

（上饒市科信水利水電勘察設(shè)計咨詢有限公司，江西上饒 334000）

0 引言

土石壩，作為水利工程中最為悠久的一種壩型，經(jīng)過多年的發(fā)展，筑壩技術(shù)有了很大的提高，但是目前仍常發(fā)生大壩失事事故，主要原因為：地震、洪水漫頂、壩體滲漏及滑坡。其中滑坡和壩體滲漏是主要因素，均是因為水的因素。滲漏問題即是壩體內(nèi)部發(fā)生開裂現(xiàn)象，在上游水壓的作用下逐步發(fā)生擴展然后導(dǎo)致潰壩；而影響庫岸邊坡穩(wěn)定性失穩(wěn)破壞的重要因素是水作用，水不僅會軟化巖土體，而且水的滲流作用會影響邊坡內(nèi)的滲流場變化，并隨之影響岸坡的穩(wěn)定性[1-2]。

對于病險水庫，大部分都是因為滲漏問題進而需要進行加固，防滲墻是最可靠和有效的防滲措施，因而得到了廣泛應(yīng)用。對于覆蓋層較厚的壩體，采用混凝土防滲墻作為防滲體更是一種經(jīng)濟有效的處理方式。如何合理地選擇防滲墻的形式，以及對防滲墻應(yīng)力變形分析，是工程中亟需解決的問題[3-10]。

目前，有限元分析已應(yīng)用于土石壩及混凝土防滲墻的應(yīng)力變形分析。陳劍等[3]從結(jié)構(gòu)型式和接觸面參數(shù)對防滲墻應(yīng)力變形進行了分析；蔣定國等[4]研究認為“泥皮”在風(fēng)化砂體和墻體之間起接觸面作用，且摩擦系數(shù)很小；孫明權(quán)等[5]分析了不同的墻端約束形式、不同強度基巖及壩體材料對防滲墻應(yīng)力變形的影響；馬曉華等[6]研究了正常水位下防滲墻的應(yīng)力和變形隨壩體土料和防滲墻彈性模量變化而變化的規(guī)律，周愛兆等[7]通過4種不同接觸面下混凝土防滲墻的受力變形特征得出了不同接觸面單元對墻體應(yīng)力變形計算結(jié)果的影響規(guī)律。

防滲墻的幾何參數(shù)、材料參數(shù)對壩體穩(wěn)定性均會有所影響，因此，如何合理選擇防滲墻的厚度、如何合理選擇混凝土防滲墻的計算參數(shù)，如何做到對其應(yīng)力變形狀態(tài)演變規(guī)律的掌握，無疑是此類工程設(shè)計所需要解決的關(guān)鍵問題。鑒于此，基于有限元數(shù)值模擬，對不同彈性模量、心墻厚度以及心墻位置的防滲墻壩體進行分析。

1 模型的建立及模型參數(shù)

在水庫蓄水、大氣降雨等不利因素作用下，某土石壩壩坡處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，可能產(chǎn)生滑移型、剝蝕侵蝕型破壞，產(chǎn)生塌岸破壞在所難免。因此，開展該段庫岸的治理工作十分必要。

對研究區(qū)勘察資料進行整理，選取庫岸的某個典型斷面進行分析，對土石壩壩坡進行適當(dāng)簡化，壩坡簡化結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 壩坡簡化結(jié)構(gòu)圖

所研究的土石壩壩坡為帶混凝土防滲墻的壩體，依據(jù)相關(guān)試驗以及規(guī)范[11]，對巖土體相關(guān)物理參數(shù)進行經(jīng)驗取值，表1為壩坡相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 壩坡相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

利用Phase2有限元軟件，對帶混凝土防滲墻的壩體進行滲流和穩(wěn)定性分析。

2 混凝土防滲墻參數(shù)滲流分析

2.1 滲流分析

對建立防滲墻前后的壩坡進行滲流分析，壩體孔壓示意圖見圖2。

圖2 壩體孔壓示意圖

從圖2中可以看出，壩體中建有混凝土防滲墻后，孔壓發(fā)生了明顯的變化。建立防滲墻前，壩體的浸潤線從上游坡面到下游坡面為一條直線，建立防滲墻后，壩體的浸潤線在防滲墻處發(fā)生了突變，壩體上游的孔壓幾乎沒有變化，浸潤線也沒有明顯變化，但壩體下游土體孔壓減小，浸潤線也相應(yīng)的降低。從孔壓示意圖中可以看出，建立防滲墻后下游壩體的浸潤線明顯降低，必然會對壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.2 應(yīng)力分析

利用Phase2對建立防滲墻前后的壩坡進行應(yīng)力分析，圖3為豎向應(yīng)力云圖。

圖3 壩體豎向應(yīng)力云圖

從圖3中可以看出，建立防滲墻前，壩坡的豎向應(yīng)力幾乎為對稱分布，建立防滲墻后，上下游壩坡的豎向應(yīng)力有明顯差異，但總體應(yīng)力大小相差較小，最大應(yīng)力均在壩坡底部，對中部巖土體的應(yīng)力無明顯影響。

3 防滲墻參數(shù)變化

3.1 彈性模量變化

混凝土防滲心墻的彈性模量變化，會對其剛度及擾度產(chǎn)生影響，分別對不同彈性模量情況下的土石壩進行分析，彈性模量為：35，25，15，1 GPa。表2為應(yīng)力變形匯總表，因篇幅有限，只列舉了彈性模量為15 GPa情況下位移及主應(yīng)力分析圖，見圖4。

從表2和圖5中可以看出，對于剛性的防滲心墻，隨著彈性模量發(fā)生變化時，土石壩的水平位移和豎向位移變化很小，因此彈性模量對壩體的位移影響很小。對于不同彈性模量的防滲心墻，隨著防滲心墻高度的增加，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的絕對值均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，說明防滲墻以受壓為主。防滲心墻的彈性模量在15～25 GPa之間時，其應(yīng)力水平較穩(wěn)定，防滲墻結(jié)構(gòu)較安全。

表2 不同彈性模量下壩體計算結(jié)果

圖4 彈性模量為15 kPa時壩體位移及主應(yīng)力分析圖

3.2 厚度變化

分別對不同厚度的混凝土防滲心墻對土石壩的影響進行分析，厚度為：40，60，80，100 cm，表3為應(yīng)力變形匯總表，因篇幅有限，只列舉了彈性模量為60 cm情況下位移及主應(yīng)力分析圖，圖5為位移及主應(yīng)力分析圖。

表3 防滲心墻不同厚度情況下壩體計算結(jié)果

從表3和圖5中可以看出，隨著混凝土防滲墻厚度發(fā)生變化時，土石壩的水平位移和豎向位移變化很小。防滲心墻的厚度越大，第一主應(yīng)力越大，第三主應(yīng)力的絕對值越小，隨著防滲心墻高程的增加，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的絕對值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并且均為負值，說明防滲墻以受壓為主。防滲墻的厚度越大，第三主應(yīng)力絕對值越小，壓應(yīng)力越小，結(jié)構(gòu)相對較安全。

3.3 位置變化

分別對混凝土防滲心墻位置變化對土石壩的影響進行分析，防滲心墻距上游面壩頂?shù)木嚯xL為：2，3.6，6，8 m，表4為應(yīng)力變形匯總表，因篇幅有限，只列舉了防滲心墻距上游壩頂距離為6 m情況下位移及主應(yīng)力分析圖，圖6為位移及主應(yīng)力分析圖。

從表4和圖6中可以看出，隨著防滲心墻位置發(fā)生變化時，土石壩的水平位移和豎向位移變化很小。防滲心墻離上游面壩頂距離越遠時，第一主應(yīng)力越大，第三主應(yīng)力的絕對值越大，隨著防滲心墻高度的增加，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力呈波動變化，總體上其絕對值逐漸減小，且均為負值，防滲墻以受壓為主。防滲墻的距上游壩頂距離越小，第三主應(yīng)力絕對值越小，壓應(yīng)力越小，結(jié)構(gòu)相對較安全。

4 結(jié)論

圖5 厚度為60 cm時壩體位移及主應(yīng)力分析圖

表4 不同防滲心墻位置下壩體計算結(jié)果

針對土石壩中常用的防滲心墻，采用有限元數(shù)值模擬手段，考慮不同彈性模量、心墻厚度、心墻位置等因素，對某土石壩實例進行了分析，得到以下結(jié)論：對于本算例，增加防滲墻的厚度，可以降低防滲墻的應(yīng)力水平，結(jié)構(gòu)相對更加安全；防滲墻的彈性模量在15～25 GPa之間時，防滲墻不會出現(xiàn)過大的壓應(yīng)力，其應(yīng)力水平較穩(wěn)定；防滲墻與上游壩頂面的距離越小，其應(yīng)力水平相對越低，結(jié)構(gòu)相對越安全。

圖6 防滲心墻距上游壩頂距離為6 m時壩體位移及主應(yīng)力分析圖