黏土心墙坝加固中混凝土防渗墙应力变形研究.pdf

收稿日期： 作者简介：路阳（），男，河南南阳人，工程师，主要从 事水工结构设计研究工作。 ： 【工程建设管理】 黏土心墙坝加固中混凝土防渗墙应力变形研究 路 阳，杨振琨，方朝阳 （黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 ； 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 ） 摘 要：结合某病险黏土心墙土石坝加固所采用的混凝土防渗墙方案，分别按普通刚性墙和三种不同弹性模量塑性墙进 行了典型剖面数值模拟，分析了土石坝加固中混凝土防渗墙以及坝体应力变形规律，比较了塑性墙和刚性墙的性能差 别，以及塑性混凝土材料对防渗墙应力变形的影响。 结果表明：塑性墙的应力分布均匀且压应力、拉应力、剪应力均远小 于刚性墙的，塑性墙与坝体的变形协调性良好，而刚性墙与坝体变形相差较大、增加了墙体应力，塑性混凝土防渗墙在应 力变形方面明显优于刚性混凝土防渗墙。 关键词： 塑性混凝土； 防渗墙； 土石坝加固； 应力变形 中图分类号： 文献标志码： ： 混凝土防渗墙是土石坝加固的一种行之有效、应 用广泛的方式。 按照抗压强度和弹性模量，可以把混 凝土防渗墙分为普通混凝土防渗墙（刚性墙）和塑性 混凝土防渗墙（塑性墙）。 所谓塑性混凝土防渗墙，就 是用黏土和膨润土取代普通混凝土中大部分水泥，而 砂石等用量基本不变的一种柔性墙体，它的特点是抗 压强度较低（一般为 ），弹性模量比较低（一 般为 ） 。 防渗墙与坝体的协调变 形和墙体的应力变形是影响工程结构安全和经济合理 性的重要因素。 为了探讨土石坝加固中混凝土防渗墙 应力变形的规律，比较塑性墙和刚性墙的性能差别，以 及塑性混凝土材料对防渗墙应力变形的影响，笔者选 择某病险土石坝加固所采用的混凝土防渗墙，进行了 有限元计算分析。 计算模型 某病险碾压黏土心墙土石坝（见图 ），最大坝高 ，坝顶高程 ，坝顶宽 。 坝壳料成分为砂壤 土，含角砾壤土、碎石；心墙料主要为黏土，含少量碎 石；坝基上部覆盖层为强风化片麻岩，下部基岩为弱风 化片麻岩。 经防洪复核，正常蓄水位为 ，设计 洪水位 ，校核洪水位 。 大坝施工质量 差，效益一直得不到充分发挥，而且工程老化失修严 重，存在坝体心墙欠高、渗漏严重等问题。 图 大坝加固前典型断面（单位：） 该坝的除险加固方案为对坝基进行帷幕灌浆，在 坝体中建混凝土防渗墙。 防渗墙沿坝轴线布置，墙厚 ，深入基岩 。 除险加固后典型断面如图 所示。 图 大坝加固后典型断面（单位：） 在数值模拟过程中，分别选用普通刚性墙和塑性 墙进行分析、比选，模型按材料分为坝壳、心墙、覆盖 层、基岩和防渗墙几部分。 土的本构关系十分复杂，具 有非线性、 剪胀性、 弹塑性、 各向异性、 流变性等。 双曲线模型可以反映土变形的非线性， 在一定程度上反映土变形的弹塑性，同时由于它建立 在广义胡克定律（弹性理论）的基础上，很容易为工程 界所接受，加之所用参数少且物理意义明确（只需要 常规三轴压缩试验即可确定这些参数及材料常数）， 适应的土类比较广，因此该模型被岩土工程界广泛应 用。 塑性混凝土防渗墙数值模拟中， 双 曲线模型也得到了广泛的应用 。 本次有限元计算 中，对坝壳、心墙、覆盖层、基岩和塑性墙采用 模型进行模拟，对于普通刚性墙选用线弹 性模型进行模拟。 为确定 模型中土的切线模量 ，需要先确定黏聚力 、内摩擦角 、无因次指数 、标 准大气压对应初始切线模量 的模量参数 、破坏比 ；为确定切线体积模量 ，需要先确定体积模量系数 、体积模量指数 、卸荷弹性模量参数 。 刚 第 卷第 期 人 民 黄 河 ， 年 月 ， 性墙采用 普通混凝土，弹性模量 ， 泊松比 。 根据水泥、黏土、膨润土等配合比 不同，塑性墙采用三种不同物理力学性能的塑性混凝 土材料。 根据工程地质资料，模型材料参数取值见 表 。 表 模型材料参数取值 材料密度 （ ） （） 坝壳 心墙 覆盖层 基岩 塑性混凝土 塑性混凝土 塑性混凝土 考虑到增建防渗墙时大坝已建成 多 ，坝体和 坝基的沉降基本完成，因此先模拟大坝填筑过程，后加 载防渗墙荷载和水荷载，最后计算应力变形。 为了反 映非线性特征，对坝体和水压力逐级加载，大坝荷载施 加完成后分期施加水荷载至校核洪水位，再降至死水 位，在死水位工况下加载混凝土防渗墙，最后加载水荷 载至校核洪水位。 防渗墙竣工期，由于大坝变形已经基本完成，增建 防渗墙对其变形影响很小，因此坝体水平位移和垂直 位移数值都很小。 混凝土防渗墙施工过程中，混凝土 为散粒体结构，其性能表现为塑性，强度随龄期不断增 强，这一阶段防渗墙的变形受龄期和施工质量的影响 很大。 假定防渗墙施工质量良好，在水库蓄水前，防渗 墙强度满足设计要求，防渗墙竣工期的变形为零。 刚性墙方案计算分析 正常蓄水位工况下，坝体最大水平位移和垂直位 移都发生在坝体中部心墙与坝壳接触处靠近上游的部 位，最大水平位移为 、指向下游，最大沉降量为 ，坝体最大水平拉应力和压应力均发生在防渗 墙与基岩接触处附近。 防渗墙周围土体发生了明显的 应力集中现象，这是混凝土防渗墙与土体的弹性模量 相差过大引起的。 由于坝体变形基本完成，建墙后墙体两侧变形产 生的摩擦力很小，又因增建的防渗墙是自坝顶穿过坝 体和坝基覆盖层插入基岩的，因此墙顶土压力很小。 正常蓄水位工况下，受水荷载和基岩约束的共同作用， 防渗墙最大水平位移发生在坝体中部 坝体最大水 平位移发生处附近，指向下游，最大水平位移为 。 防渗墙垂直变形很小，最大沉降量为 。 正常蓄水位工况下，刚性墙应力沿高程分布情况 和水力劈裂判定见图 图 。 在水荷载和围土挤压 作用下，防渗墙变形最大处水平向应力最大，最大拉应 力为 ；基岩约束下，防渗墙与基岩接触处出 现较大的水平向应力。 最大水平变形处附近在墙体自 重和墙体与围土的摩阻力作用下，防渗墙上下游面出 现了较大的拉应力和压应力。 普通 混凝土的轴 心抗拉强度只有 ，而最大拉应力为 ， 远超过了其极限抗拉强度，防渗墙可能发生破坏。 最 大压应力 ，防渗墙与基岩接触处在基岩约束 下也产生了较大的压应力。 剪应力大小与水平向变形 成正比，防渗墙与坝体变形协调性较差，受围土挤压作 用明显，剪应力最大值为 ，出现在坝体中部 防渗墙最大变形处。 防渗墙水力劈裂采用总应力法来 判定，即有效应力与孔隙水应力之和与上游水压力比 较，从而判定水力劈裂是否发生：若总应力大于对应高 程处的上游水压力，则不发生水力劈裂，否则发生水力 劈裂 。 刚性墙上游面的总应力都大于对应高程处 的上游水压力，故刚性墙不会产生水力劈裂现象。 图 刚性墙水平向应力沿高程分布情况 图 刚性墙竖向应力沿高程分布情况 图 刚性墙剪应力沿高程分布情况 人 民 黄 河 年第 期 图 刚性墙水力劈裂判定 塑性墙方案计算分析 塑性墙初始切线模量参数 分别取 、 、 。 不同弹性模量防渗墙的应力变形相似，以下以 （塑性混凝土防渗墙 方案） 为例进行 分析。 正常蓄水位工况下，坝体最大水平位移和垂直位 移都发生在坝体中部心墙与坝壳接触处靠近上游的部 位，最大水平位移为 、指向下游，最大沉降量为 。 最大位移及发生位置与刚性墙方案接近，防 渗墙周围土体无应力集中现象。 在水荷载和基岩约束的共同作用下，塑性墙最大 水平位移发生在坝体中部 坝体最大水平位移发生 处附近，指向下游，最大水平位移为 ，大于刚性 墙的，与坝体水平位移基本一致，塑性墙与坝体变形协 调性良好。 防渗墙的沉降量很小，最大沉降 ， 略大于刚性墙的，一般趋势是随高程增加而增加。 正常蓄水位工况下，应力沿高程分布情况和水力 劈裂判定见图 图 。 塑性墙水平向应力均为压应 力，最大压应力出现在防渗墙与坝基接触处周围，最大 压应力为 ，坝基线以下一般随高程的增加而 增大，坝基线以上一般随高程的增加而减小。 塑性墙 竖向应力较刚性墙竖向应力小很多，在坝体中部最大 变形处和防渗墙与基岩接触处出现局部拉应力，最大 拉应力 ，最大压应力 。 塑性墙与坝 体变形协调性较好，剪应力受坝基约束比坝体中部最 大水平变形处围土对墙体的挤压作用表现更明显，最 大剪应力为 ，出现在防渗墙与坝基接触处 周围。 塑性墙上游面的总应力都大于对应高程处的上 游水压力，故塑性墙不会产生水力劈裂现象。 图 塑性墙 水平向应力沿高程分布情况 图 塑性墙 竖向应力沿高程分布情况 图 塑性墙 剪应力沿高程分布情况 图 塑性墙水力劈裂判定 塑性墙与刚性墙应力变形对比分析 正常蓄水位工况下，各种材料混凝土防渗墙应力 变形计算结果见表 、表 。 刚性墙最大拉应力、最大 压应力、最大剪应力分别为 、 ；而塑 性墙拉应力很小， 时墙体内最大拉应力为 、最大压应力 、最大剪应力 ，都远小于刚性墙的。 随着 值的减小，墙体应力 降低，同时墙体总应力不断减小，在 时总应 力仍大于水压力，表明墙体不会发生水力劈裂。 塑性 墙的水平、竖向变形随 值的减小而有所增加，塑性 墙墙体变形与坝体变形更为接近。 塑性墙的最大压应 力只有刚性墙的 ，塑性墙的应力分布均匀 且拉应力不足刚性墙的 ，塑性墙的最大剪应力只 有刚性墙的约 。 刚性墙产生 的拉应力， 超过了普通 混凝土的极限抗拉强度，此时采用刚 性墙是不安全的。 表 各种材料混凝土防渗墙应力计算结果 墙体材料 值 最大压应 力 最大拉应 力 最大剪应 力 塑性混凝土 塑性混凝土 塑性混凝土 普通混凝土 人 民 黄 河 年第 期 表 各种材料混凝土防渗墙与坝体变形计算结果 墙体材料 值 坝体最大 水平向变 形 坝体最大 竖向变形 墙体最大 水平向变 形 墙体最大 竖向变形 塑性混凝土 塑性混凝土 塑性混凝土 普通混凝土 结 论 结合某病险黏土心墙土石坝加固所采用的混凝土 防渗墙方案，分别按普通刚性墙和三种不同弹性模量 塑性墙进行了数值模拟，结果表明：应力方面，塑性 墙应力分布均匀，且压应力、拉应力、剪应力均远小于 刚性墙的；变形协调性方面，塑性墙由于其弹性模量 与围土较为接近，应力应变关系与围土较匹配，因此与 围土的变形比较协调，而刚性墙的弹性模量远高于围 土，造成墙体变形与围土协调性较差，增加了墙体应 力；塑性混凝土防渗墙的应力状态，在很大程度上取 决于塑性墙的弹性模量和其应力应变关系与其周围土 体的力学性能的适应情况，也就是适应围土的变形能 力，因此为使其应力状况良好，必须使其与周围土体的 力学性能、边界条件相适应，通过结构应力分析，确定 最优的结构尺寸和材料力学性能参数，进而确定塑性 混凝土材料的各种最优配比；塑性混凝土防渗墙在 应力变形方面明显优于刚性混凝土防渗墙。 参考文献： 白永年中国堤坝防渗加固新技术北京：中国水利水 电出版社， ： 高钟璞大坝基础防渗墙北京：中国电力出版社， ： 王清友，孙万功，熊欢塑性混凝土防渗墙北京：中国 水利水电出版社， ： 王柏乐，刘瑛珍，吴鹤鹤中国土石坝工程建设新进展 水力发电， （）： 李广信高等土力学北京：清华大学出版社， ： 陈五一，赵颜辉土石坝心墙水力劈裂计算方法研究 岩石力学与工程学报， （）： 殷宗泽，朱俊高，袁俊平，等心墙堆石坝的水力劈裂分析 水利学报， （）： ， ， （ ， ， ， ； ， ， ， ） ： ， ， ， ， ， ； ， ： ； ； ； 【责任编辑 张智民】 （上接第 页） ， ， ， ， ， ， ： ； ； ； ； 【责任编辑 吕艳梅】 人 民 黄 河 年第 期