土坝混凝土防渗墙侧壁负摩阻力分析.pdf

第l 0 期 ( 总第1 2 7 期) 中国水能 及电气化 而 No 1 0 ( TOTAL No 1 2 7) 2 0 1 5 年 1 0 月 D OI ：1 0 1 6 6 1 7 j c n k i 1 1 - 5 5 4 3 T K 2 0 1 5 1 0 0 1 9 土坝混凝土防渗墙侧壁负摩 阻力分析 程素珍 杜 滨 刘莉莉 ( 山东省水利科学研究院，山东济南2 5 0 0 1 3 ) 【 摘要】 混凝土防渗墙是土坝防渗加固比较常用的方法，但由于墙体和两侧坝体的弹性模量、强度差异较大， 在上覆荷载作用下墙体与土体之间产生不均匀沉降，使防渗墙侧壁出现负摩阻力，其应力甚至达到材料的极 限 抗拉强度，造成墙体出现裂缝，防渗效果降低。本文以崮山水库为例，采用有限元法分析防渗墙的受力状态， 探讨了模量比值 k的变化对墙体负摩阻力的影响、相对沉降与负摩阻力的关系、中性点的位置等，为防渗墙的 运行管理提供理论支持。 【 关键词】 防渗墙；负摩阻力；分析 中图分类号 ：T V 5 4 3+ 8 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 3 - 8 2 4 1 ( 2 0 1 5 1 1 0 - 0 0 6 6 - 0 5 Ana l y s i s o n n e g a t i v e f r i c t i o n r e s i s t a nc e o f e a r t h d a m c o nc r e t e c ut o f f wa l l s i de wa l l s C HENG S u z h e n，DU B i n，L I U L i l i ( S h a n d o n g Wa t e r C o n s e r v a n c y S c i e n t ifi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， J i n a n 2 5 0 0 1 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：C o n c r e t e c u t o ff wa l l i s a mo r e c o mmo n l y u s e d me t h o d i n e a r t h d a m a n t i s e e p a g e r e i n f o r c e me n t Ho w e v e r e l a s t i c mo d u l u s a n d s t r e n g t h d i f f e r e n c e s o f wa l l s a n d d a m b o d i e s o n b o t h s i d e s a r e g r e a t e r Un e v e n s e t t l e me n t i s p r o d u c e d b e t we e n t h e w a l l s a n d s o i l u n d e r t h e e f f e c t o f o v e rly i n g l o a d， t h e r e b y n e g a t i v e f r i c t i o n r e s i s t a n c e i s p r o d u c e d o n t h e s i d e wa l l s o f c u t o ff wa l l ，a n d t h e s t r e s s e v e n c a n r e a c h u l t i ma t e t e n s i l e s t r e n gth o f t h e ma t e ri a l s ，t h e r e b y l e a d i n g t O c r a c k s o n t h e w a l l s a n d l o w s e e p a g e c o n t r o l e f f e c t I n t h e p a p e r ，Gu s h a n Re s e r v o i r i s a d o p t e d a s a n e x a mp l e F i n i t e e l e me n t me t h o d i s a d o p t e d t O a n a l y z e t h e s t r e s s s t a t e o f c u t o ff w a l 1 I n fl u e n c e o f t h e c h a n g e o f mo d u l u s r a t i o k t o t h e n e g a t i v e f r i c t i o n r e s i s t a n c e o f w a l l s ， r e l a t i o n s h i p b e t w e e n r e l a t i v e s u b s i d e n c e a n d n e g a t i v e f r i c t i o n r e s i s t a n c e ，p o s i t i o n o f n e u t r a l p o i n t ，e t c a r e d i s c u s s e d ，a n d t h e o r y s u p p o r t i s p r o v i d e d f o r o p e r a t i o n a n d ma n a g e me n t o f c u t o ff w al1 Ke y wor d s：c ut o ff wa l l ；n e g a t i v e f ric t i o n r e s i s t a n c e；a na l y s i s 防渗墙是修筑在土石坝和松散覆盖层 中起防渗作 用的地下连续墙，因其防渗效果好 、施工速度快、结 构可靠等优点 ，成为山东省土石坝 防渗处理 的首 选工程措施。但是防渗墙主要是以水泥为胶凝材料的 混凝土构筑物，即使采用黏土取代普通混凝土中的大 部分水泥形成的塑性混凝土浇筑防渗墙 ，其变形模量 与坝体土也差异较大，坝体在 自身沉降过程中，墙体 变形小 ，坝体变形大 ，当坝体土相对墙体产生向下的 位移 时 ，土体就会对墙体产生 向下 的摩 阻力 即负摩 阻 力 ，当负摩 阻力 大于墙体材料 的抗拉 强度时 ，防渗 墙就会出现开裂 ，裂缝的出现会严重降低墙体的防渗 性能 ，甚至产生流土 、管涌等水力破坏现象 。随 科学研究及工程设计 ! f i ! 。 r c h &E n g i n e e r i n g D e s i g n 墙体深度的增加 ，相对沉降会逐渐减小，负摩阻力逐 渐消失 ，在墙体和其两侧的土体沉降相等处 ，摩阻力 为零 ，该点即为 中性点 ，中性点以上墙体受负摩阻 力，以下受正摩阻力。因此 ，分析防渗墙中性点的位 置、负摩阻力的大小、墙体材料的变形模量对墙体受 力状态的影响等对评价防渗墙的安全状态至关重要。 本文结合崮山水库大坝安全鉴定，分析了防渗墙侧壁 摩阻力的变化，评价了墙体的工作状态。 1 工程概况 崮山水库位于威海市环翠区，枢纽工程由大坝、 溢洪道、放水洞 、电站等组成 ，工程规模为 等，主 要建筑物为 3级。大坝系壤土心墙砂壳坝，坝顶长 3 8 5 m，坝顶高程 2 8 8 m，最大坝高 2 0 3 m。是一座集 防洪 、供水、养殖、发 电等综合效益于一体 的中型 水库 。 坝体内采用黏土心墙防渗，心墙顶高程 2 8 1 0 m， 顶宽 2 m，上下游坡比为 1 ： 0 4 。心墙和坝基砂内构筑 混凝土防渗墙 ，墙体位于坝轴线，墙长 1 5 0 r n ，厚度 0 6 m，上部埋入黏土心墙 内，顶高程 2 5 0 0 m，坝基 砂 内平均 深 度 1 2 7 1 i n ，底 部嵌 入 基 岩 1 2 0 m，墙 体 材料为 C 1 0素混凝土，设计轴心抗 拉强度 6 5 0 k P a ， 设计 轴 心抗 压 强度 5 M P a ，弹性模 量 E =4 0 0 1 0 0 0 M P a ；渗透系数小于 1 1 0 c m s 。 水库建成后不久，坝体出现了较大沉降，最大沉 降量达 8 4 5 e ra，且坝顶 出现裂缝。水库经多年运行 后 ，现状沉降基本稳定 ，但是防渗墙与墙两侧土体弹 性模量差异较大 ，由于沉降差异 ，墙体侧壁易出现负 摩阻力 ，当负摩阻力大于墙体抗拉强 度时 ，可引起 墙 体裂缝 。因此 ，采用有 限单元法对防渗墙侧 壁负摩 阻 力进行模拟计算 ，评价墙体的应力状态。 2防渗墙应力分析 防渗墙应力计算采用 D u n e a n E 模型，它是一 种非线性应力应变关系模型 ，两个基本变 量为切线 杨 氏模量 E 和切线体积变形模量 B ， E 、 B 表达式分 别 为 ： E = 。( ) ( 1 s ) 、P d ， Kb P 。 ( ) ( 1一 3 ) 一 ( o r 一( r 3 ) ， 式 中 K模量参数 ； n无 因次指数 ； P 大气压力 ； R ， 破坏 比； K 待定试验常数； 曰 体积模量系数； m 体积模量指数； 5 应力水平。 由E 、 B 作为参数进而求得土的泊松比 为： 一 ( 一 ) 计算中限制 B 值在( 1 31 7 ) E 的范围内，相当 于 在 0 0 4 9的范围内。 坝体主要由黏土心墙、壤土坝壳、砂壳、堆石压 重体和坝基砂组成，坝基基岩为片麻花岗岩 ，作为刚 性材料考虑。坝体土计算参数均可采用常规三轴剪切 试验测定 ，室内试验成果建议值见表 1 。防渗墙的 密度、弹性模量和泊松 比分别为P = 2 4 g c m ，E= 6 0 0 MP a， =0 1 7。 表 1 坝 体 土 室 内 试 验 结 果 汇 总 材 料 p ( g c m ) 4 ( 。 ) c k P a ， G D 黏土心墙 1 9 8 2 2 O 1 7 1 5 1 0 5 O 0 7 4 一O 1 3 4 O 2 8 1 2 5 壤土坝壳 1 9 9 2 3 0 1 6 1 5 1 0 4 7 O 7 5 一O 1 6 o O 3 5 3 1 O 堆石压重体 2 2 5 4 9 0 O 9 0 0 O 2 O O 7 6 0 1 5 0 0 3 3 4 0 0 砂壳 1 6 5 3 3 O 0 2 8 9 0 5 5 0 8 6 0 1 6 0 O 3 6 3 0 o 坝基砂 1 6 3 3 2 4 O 2 7 5 O 7 1 O 7 7 0 1 4 0 0 3 7 3 2 O 科学研究及工程设计 S c i e n t i f i c R e s e a r c h & E n g i n e e r i n g De s i g n 3 不同k值下的负摩阻力计算 防渗墙侧壁产生负摩 阻力 的原 因是墙 体与两侧 土 体的刚度不同，在外力作用下坝体产生了相对墙体的 沉降 。为研究两者 的刚度差异对负摩 阻力 的影 响 ，选 取两种材料的不同模量比值 k 进行计算分析，k 值见 表 2 ，不 同 k值下的墙侧 壁最 大负摩 阻力变化 和 中心 点位置见图3 。 表 2 计 算 方 案 参 数 E l E 2 k 5 1 0 l 5 2 0 2 5 5 0 2 ( ) o 5 0 0 1 0 0 o 注E 为防渗墙的弹性模量，E ： 为坝基覆盖层的模量，取 E2=2 2 k P a 。 一 一 7I ， 一 I 乓 骂 近 莩 0 5 0 l 0 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 趟 图3 k值与负摩阻力和中性点关系曲线 从图 3可知，防渗墙一土体相对刚度大小对防渗 墙最大侧壁摩阻力有明显的影响。随着 k增大 ，其侧 壁负摩阻力也不断加大。侧壁负摩阻力在 k 值较小时 增长较快，但随着 k 值的继续增加 ，其最大负摩阻力 的增量逐渐减小。原因是随着 k 值的加大，墙体的模 量不断增加 ，在外 力不 变 的情况下 自身 沉降 量减 小 ， 墙体与两侧松散层的相对沉降增大，当相对位移增加 到一定程度时，两侧土体产生屈服破坏，侧壁摩阻力 达到峰值 ，此后即使再加大 k 值 ，其负摩阻力也基本 保持不变。因此 ，为降低侧壁负摩阻力，在满足墙体 抗压强度的情况下 ，尽量采用低弹模的塑性防渗墙。 4 k值对 中性点 的影 响 防渗墙所受摩阻力为0的点为中性点，在墙体与 两侧土体压缩模量相等时 ，其变形协调，在竖向应力 作用下，不存在相对运动趋势，可以说处处为中性点， 但是两种材料的强度总存在差异 ，就必然有中性点的 存在。经计算防渗墙中性点位置随 k值变化的情况见 图 3 。 中性点位置在 一1 5 2 3 m之间，也就是在防渗墙 深度的 1 21 3处，符合端承墙的受力规律。中性 点随着 值的增 大而深度逐渐 增加 ，在二者 的刚度 比 较接近时，k 值对 中性点的位置影响较大，当刚度差 别较大时，中性点的位置基本不随 值的变化而变 化 ，对于崮山水库防渗墙，当 k 2 4时，中性点的位 置基本不变。原因是防渗墙的模量较小时 ，防渗墙的 变形大，产生的相对位移小，随着深度增加 ，负摩阻 力的增加引起的防渗墙压缩量不断变大，使防渗墙与 两侧土体间的不均匀沉降得到了弥补，从而中性点位 置较高。随着 k 值的加大，中性点下降的速度在变慢。 中性点也就是墙体所受应力最大的点，因此，在工程 管理中，要重点加强防渗墙底端 1 31 2之间的施工 质量，加强该处的观测。在工程设计中，防渗墙应力 应变及渗压计观测设施主要安装在墙体端 1 31 2 之间，就是因为该部位受力最大，最容易出现破坏。 5 相对沉降对负摩阻力的影响分析 只要墙体与土体之间产生相对运动或有运动趋 势 ，就会产生摩阻力 ，当产生滑动时摩阻力基本不变 。 图4为防渗墙的相对沉降量与负摩阻力的关系曲线。 一 8 0 R 嚣_ -6 o 4 O 2 0 O 0 1 1 0 一 2 1 0 5 3 1 0 5 4 1 0 5 5 l 0 相对沉降 m 图 4防渗 墙相对沉降与摩阻力的关 系曲线 m 5 O 如 如 一 B d 芒 商毒f 科学研究及工程设计 S c i e n t i f i c Re s e a r c h E n g i n e e r i n g D e s i g n 由图4可知，当相对沉降量小于 1 51 0 m时， 负摩阻力与相对沉降量呈直线关系，说明墙体与土体 之间位移在屈服范围内，当相对沉降量达到一定程度 后，墙体两侧的土体产生屈服破坏 ，即使相对沉降值 再增加 ，负摩阻力 也不会 再加大 ，因此 ，在工程 中要 避免屈服破坏的发生。 6 结语 通过对崮山水库防渗墙侧壁负摩阻力和中性点位 置随k 值的变化规律的分析 ，得出以下主要结论： a 水库经过多年运行，坝体 固结沉降明显 ，最 大沉降量达 8 4 5 c m，造成墙体产生较大的负摩阻力， 其值已接近材料的极限抗拉强度，应加强墙体观测。 b 防渗墙土体相对刚度的大小，对防渗墙最 大侧壁负摩阻力有明显影响。侧壁负摩阻力在 k值较 小时增长较快 ，但随着 k 值继续增加，其最大负摩阻 力增量逐渐减小。因此 ，为降低侧壁负摩阻力，在满 ( 上接第 3 0页) 足墙体抗压强度的情况下，尽量采用低模量的材料以 适应坝体变形 ，从而减小 防渗墙的应力 。 c 防渗墙最大竖向应力的位置基本在距 防渗墙 底端 1 31 2处 ，因此，在工程 中应加强该部位 的 监测 ，防止墙体 出现破坏 。A 参考文献 1 郑秀培 土石坝地基混凝土防渗墙设计与计算 M 北京 ： 水 利电力出版社 ， 1 9 7 9 ： 1 2 - 2 0 2 苏炳煌 低弹模 混凝土 防渗墙新技 术在 村 内水 库除险 加 固工 程 中的应用 J 水利建设与管理 ， 2 0 1 4 ( 7) ： 4 7 5 0 3 张展瞍 ， 冯志 焱 西安 黄土地 区静 压桩 荷载 沉降 特性 与分 析 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 5， 2 4 ( 1 4) ： 2 5 4 9 - 2 5 5 2 4 杨洋， 黄德强 土石坝低弹模塑性 昆 凝土防渗墙应力变形分析 J 中国水能及电气化 ， 2 0 1 4 ( 9 ) ： 5 2 5 6 5 郭亚洁 张峰水库塑性 昆 凝土试验研究 J 水利建设与管理， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 8 3 - 8 4 6 谢定义， 姚仰平， 党发宁 高等土力学 M 北京： 高等教育出 版社 ， 2 0 0 7： 1 1 1 - 1 2 1 十 + “+“+ +“+- + 表2 铝 块 对 比 试 验 实 测 壁 厚 单位：m m 超 声 测 厚 值 卡 尺 测 厚 值 误 差 值 超 声 测 厚 值 卡 尺 测 厚 值 误 差 值 2 O 2 82 0 3 O 2 O 3 2 0 0 20 0 4 5 5 1 O 5 5 1 4 5 5 1 6 O O 2 0 O 6 2 2 6 22 2 6 4 2 2 6 8 0 O 20 0 4 6 0 0 8 6 0 0 9 6 O 1 2 O O 3 0 0 4 2 5 1 82 5 1 9 2 5 2 4 0 0 4 0 0 5 64 9 7 64 9 9 6 5 O 2 O O 3 0 O 5 3 5 1 63 5 1 7 3 5 2 O O O 30 04 7 4 887 4 9 0 7 4 9 2 O 0 2 0 0 4 4 0 0 34 0 0 4 4 0 0 6 O 0 20 O 3 8 5 1 5 8 5 1 7 8 5 2 0 0 O 3O O 5 4 5 1 0 4 5 1 1 45 1 2 O 0 1O O 2 9 5 O 6 9 5 0 8 9 5 1 0 0 0 2 0 0 4 5 O 1 3 5 O 1 6 5 0 1 8 0 0 20 O 5 1 0 5 1 0 1 0 5 08 0 0 2 从实测情况可以看 出 ，在 0 l O O m m范 围内 ，超 声波测厚精度和卡尺测厚精度误差在 0 0 5 m m左右 ， 当所检测厚度值大于 l O O m m时，由于超声波测厚精 度只精确到 0 1 O m m，因此对 于大于 l O O m m工件厚度 的检测，超声波测厚精度只能满足壁厚尺寸精度不小 于 0 1 O m m壁厚尺寸检测要求 。 通过上述两组试块的对 比验证试 验情况 ，当工件 表面质量状况较好、工件经过热处理组织晶粒较细且 工件厚度方向上下表面平行度较好时，采用超声波法 7 0 测厚和使 用常规 量具 测厚二 者 的测 量精 度相 差不 大， 可满足尺寸精度要求不小于0 0 5 r n m的尺寸测量工作。 6 结语 通过分析验证，当采用超声波检测仪进行壁厚测量 时，只要选择合适的设备类型、匹配合适的探头，合理 选用耦合剂和对比试块，综合考虑各种影响测量精度的 因素 ，脉冲式超声波反射法同样可以具有较高的测量 精度 ，代替常规检测手段完成高精度测量工作。A