水位升降作用下大壩防滲數(shù)值模擬研究

白生貴

（吐魯番市清源水利水電勘測設計院有限公司，新疆 吐魯番 838000）

1 引言

據(jù)調查，滲流相關的研究主要集中于大壩防滲穩(wěn)定性方面。胡福洪等基于正交試驗方法研究了塑性混凝土材料性能。結果表明，粉煤灰的摻入對混凝土的抗?jié)B強度無積極影響，但可以降低混凝土防滲墻的成本。當膨潤土摻量為20 kg/m3時，混凝土防滲墻的抗壓強度達20.90 MPa，抗?jié)B強度達到0.90 MPa。王春光基于數(shù)值模擬研究了塑性混凝土防滲墻彈性模量對防滲性能的影響。結果表明，適當增大水膠比和砂率以及減小水泥用量，同時增加膨潤土的用量可以較好地控制防滲墻的塑性變形。劉鋼等基于室內力學試驗研究了復摻膠粉、硅粉、粉煤灰防滲墻塑性混凝土力學性能。結果表明，膠粉和粉煤灰對塑性混凝土的抗?jié)B性起到負面作用，而硅粉對混凝土的抗?jié)B性起到積極影響。

建立數(shù)值計算模型，研究水位波動下混凝土防滲墻內力及變形規(guī)律，可為大壩防滲墻的設計及加固工程提供參考。

2 工程概況與數(shù)值模型

壩體為典型土石壩加固工程，其中舊壩體與覆蓋層采用塑性混凝土防滲墻處理。壩頂高程、壩高及壩頂寬分別為1 137、36.80 和6 m。防滲墻厚0.80 m，深度約60 m，由上到下分別出露巖層為覆蓋層、強風化及弱風化基巖。壩體為黏性土，防滲墻布置在壩軸線上游1.80 m處，嵌固段深度約5.00 m。見圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

根據(jù)大壩典型剖面，建立數(shù)值計算模型。為了模擬防滲墻和巖土體的接觸，在兩者之間設置了Goodman接觸單元。最終模型網(wǎng)格總數(shù)32 100個，節(jié)點單元33 258個。假定河水流向為X軸，與河水流向垂直為Y軸。數(shù)值模型網(wǎng)格劃分均采用四邊形單元。防滲墻及巖土體本構為鄧肯-張模型?？紤]灌漿帷幕與排水棱體接觸面積較小，因此建模和計算中忽略了該部分。計算模型中材料參數(shù)見表1所示。

表1 材料物理力學參數(shù)匯總表

3 結果與分析

3.1 防滲墻變形規(guī)律

圖2 為蓄水前后防滲墻的水平和豎向位移。防滲墻在蓄水前后產(chǎn)生的位移變化規(guī)律基本相同，水平位移表現(xiàn)出向下游傾斜的趨勢。圖2（a）表明，蓄水后的大壩水平位移大于蓄水前，且最大位移均出現(xiàn)在墻頂位置。蓄水前后防滲墻的水平位移均隨高程的變化而增大，蓄水前墻頂最大位移110 mm，蓄水后220 mm。圖2（b）結果表明，蓄水前后，防滲墻的豎向位移基本保持相同，且兩者均隨高程增大而增大，最大豎向位移260 mm。綜合來看，蓄水對墻體垂直變形影響較小。

圖2 塑性防滲墻變形

3.2 防滲墻內力分析

圖3 為蓄水前后防滲墻在上游面和下游面的最大主應力分布規(guī)律。在蓄水前，上游面和下游面最大主應力的變化規(guī)律基本相同。其中，上游面和下游面最大主應力隨高程的增大而先增大后減小。上游面墻底處最大主應力基本為0，墻頂處的最大主應力為1 150 kPa，下游面墻底處最大主應力基本為0，墻頂處的最大主應力為1 250 kPa。蓄水后上游面和下游面最大主應力隨高程的變化無明顯規(guī)律。上游面墻底處最大主應力基本800 kPa，而墻頂處最大主應力1 250 kPa，下游面墻底處最大主應力基本1 180 kPa，墻頂處最大主應力1 150 kPa。

圖3 塑性防滲墻最大主應力分布圖

分析蓄水前后防滲墻在上游面和下游面的最小主應力分布情況，在蓄水前上游面和下游面最小主應力的變化規(guī)律基本相同。上游面和下游面最小主應力隨高程的增大基本保持不變。但在墻體和覆蓋層接觸的地方，由于應力集中導致主應力出現(xiàn)較大的增長。其中蓄水前上游面在交界面位置最小主應力值為400 kPa，而蓄水后下游面在交界面位置處的最小主應力值為650 kPa。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是蓄水后墻體在中下部上游面出現(xiàn)了較大水壓力。在水壓力的作用下，圍壓提高，導致最小主應力增大。

分析蓄水前后防滲墻在上游面和下游面豎向應力分布情況，在蓄水前上游面和下游面豎向應力變化規(guī)律基本相同。上游面和下游面豎向應力隨高程增大而先增大后減小。上游面墻底處豎向應力1 200 kPa，墻頂處豎向應力1 150 kPa，下游面墻底處豎向應力1 100 kPa，墻頂處豎向應力1 200 kPa。蓄水后上游面和下游面豎向應力隨高程變化無明顯規(guī)律。上游面墻底處豎向應力1 150 kPa，墻頂處豎向應力1 100 kPa，下游面墻底處豎向應力920 kPa，墻頂處豎向應力1 260 kPa。

3.3 塑性混凝土模量變化對墻體的影響分析

表2 為不同模量下混凝土材料對防滲墻內力及變形的影響。由表可知，在彈性模量分別等于3×103Pa、5×103Pa和8.5×103Pa的工況下，隨彈性模量增大，墻體變形逐漸減小，墻體最大主應力和最小主應力均有增大趨勢。當彈性模量為8×103Pa 時，墻體下游出現(xiàn)拉應力，對防滲墻的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。綜合來看，當混凝土彈性模量增大時，模量對防滲墻的受力狀態(tài)影響不明顯，防滲墻的剛度隨混凝土模量降低而減??；當混凝土模量增大時，由于防滲墻的剛度提高，防滲墻局部出現(xiàn)受拉區(qū)。對于防滲墻混凝土剛度的選取要綜合考慮研究區(qū)工程地質條件以及壩體選型等多種因素。

表2 塑性混凝土模量對墻體內力影響表

4 結語

①防滲墻在蓄水前后產(chǎn)生的位移變化規(guī)律基本相同。②防滲墻在蓄水前后均處于受壓狀態(tài)，不同部位最大應力不超過2.50 MPa是安全的。③隨彈性模量的增大，墻體變形逐漸減小。