黄河海勃湾水利枢纽土石坝混凝土防渗墙应力及变形分析.pdf

黄河海勃湾水利枢纽土石坝 混凝土防 渗墙应力及变形分 析 阮建飞 王景涛 t 陈海峰 z ( 1 中水北方勘测设计研究有限责任公 司 天津3 0 0 2 2 2 ； 2 天津市宁车沽闸管理所 天津 3 0 0 4 5 3 ) 摘 要 黄河海勃湾水利枢纽工程位于内蒙古 自治区乌海市境 内的黄河干流上， 是综合 防凌、 发 电等多项利用的水利枢纽。本文运用平面有限元方法， 针对该枢纽土石坝， 对不同厚度、 不同弹性模量的混凝土防渗墙进行 了应力及变形分析，计算结果为土石坝的安全设计 提供 了参考。 关键词防渗墙 ； 有限元； 应力及变形； 弹性模量 中图分类号： 1- V 5 4 3 + 8 2 文献标识码 ： B 黄河海勃湾水利枢纽工程位于内蒙古 自 治 区乌海市境 内的黄河干流 上 ，坝址上距 石 嘴山水文站 5 0 k m， 下游 8 7 k m处为已建的内 蒙古三盛公水利枢纽。 坝址距乌海市 3 k m， 距 自治区首府呼和浩特市约 5 5 0 k m。 海勃湾水利枢纽是一项具有防凌、发电 等综合效益的水利枢纽工程 ，工程为 等工 程 ， 工程规模为大( 2 ) 型。枢纽主要由土石 坝、 泄洪闸 、 河床式电站等建筑物组成 ， 坝顶 高程 1 0 7 8 7 m，水库正常蓄水位 1 0 7 6 0 m， 水 库总库容 4 8 7 亿 m ， 电站装机四台， 总装机 容量 9 0 M W。其 中土石坝段总长 3 5 5 0 3 m， 最 大坝高 1 8 2 m， 防渗采 用“ 粘 土心墙 +悬挂 式 混凝土防渗墙” 形式 ， 防渗墙最大深度 4 0 m， 顶端嵌入 粘土心墙 2 m。 本文通过对 土石 坝坝 基防渗墙的平面应力及变形分析，从而为合 理选择混凝土防渗墙的形式及设计参数 提 供必要的依据。 1基本资料 ( 1 ) 计算选用完建、 正常蓄水位及“ 正常 蓄 水 位 +地 震 ”三 种 工 况 。正 常 蓄 水 位 1 0 7 6 0 m， 相应下游水位 1 0 6 5 0 m。 ( 2 ) 土 石坝属 2级 建筑 物 ， 工程 区 5 0年 超 越 概 率 1 0 的地 震 动 峰 值 加 速度 为 O 2 2 8 g ， 相应地震基本烈度为 8 度， 反映谱特 征周期为 0 4 0 s 。工程抗震设计烈度为 8 度。 ( 3 )结构计算分别采用 4 0 e m、 6 0 c m厚 混凝土防渗墙，墙体材料按塑性混凝土和 普通混凝土分别考虑，塑性混凝土弹性模 量 采 用 1 0 0 0 MP a和 1 5 0 0 MP a ， 普 通 混 凝 土 弹性模量采用 1 7 5 0 0 M P a 。 泊松比 0 1 6 7 ， 容 重 2 4 0 k N m 。 ( 4 )防渗墙与土体间摩擦系数采用 0 1 5 ( 考虑泥皮作用) 。 ( 5 )不考虑初期施工引起的土体初始位 移场和应力场， 但考虑 自重产生的附加应力。 ( 6 ) 计算时忽略坝体的块石护坡、 反滤及 垫层 ，各土层 之间采用理想 化的平面接触 方 式。 坝体及坝基土体参数见表 1 ( 粘土泊松比 采用 0 - 3 ， 砂性土泊松 比采用 O 2 5 ) ， 计算典 型断面见 图 1 。 表 1 2有限元计算 2 1 计算原理 本计算采用( A N S Y S 结构分析系统 ( 采用 二维平面实体单元、 接触单元 ) ， 对坝体结构、 土体结构计算模型进行二维有限元2 1 弹塑性 应力分析计算。 根据地质提供的参数 ， 在进行 弹塑性有限元分析中，土体采用理想弹塑性 本构特性， 防渗墙采用线弹性模型。 非 线性 应力 屈 服 准 则选 用 德 鲁克 一普 坝体及 坝基 土体参数 表 天然 饱和 有效应力指标 渗透 压 缩 层厚 材 料名 称 容重 容 重 粘聚力 ( k l ,a ) 擦 角 系数 模 量 E s ( I n ) ( k N m ) ( 1 i N m3 ) ( c m s ) ( MP a ) 内摩 ( 。 ) 坝体沙砾料 2 1 5 2 2 5 0 3 5 1 1 O 3 0 心 墙粘土 料 1 9 7 2 0 6 1 5 2 4 71 O 。 6 1 4 坝基粉 砂 1 9 0 2 8 41 0 - 3 1 l 2 坝 基砂砾 石 2 3 5 0 3 5 21 0 4 2 4 1 0 坝基细 砂 2 0 4 O 2 9 41 0 1 4 6 0 图 1计算典型断面 拉格 ( D r u c k e r - P r a g e r ) 准则 ， 相应计 算公 式 如下 ： o Lf + _J 2 =K 式 中 ， ： 3、 3 + s n K ： 兰 ： 、 而 I l ： o r l+ o r 2 + o r 3 J 2 =1 6 f ( l 一盯 2 ) 2+( 盯 2 一 盯 3 ) 2 +( c r 3 一 盯f ) 2) 德鲁克 一普拉格屈服准则近似莫尔 一 库仑准则， 对米赛斯准则进行了修正， 其优 点是考虑了 的作用。德鲁克 一 普拉格屈 服准则适用于岩石和土壤等颗粒状材料。 2 2边界 条件 及荷 载 计算的边界条件 ： 自坝体建基面以下 沿深度方向取 7 2 m ( 见表 1 ) ； 向上游( 人渗 点以上) 及下游至少取 1 5 倍坝高。 坝基底 边界为不透水边界， 即在坝基 7 2 m深度处 不考 虑垂直方 向的水流交 换。坝体及 坝基 上 、 下游 为水力边 界 ， 水 头大 小与 上 、 游 水 位一致 ； 其余部分为 自由渗流表面。计算 边界约束为： 地基上游、 下游和底部均加法 向约束 。 基本 荷 载 主 要有 自重 、 上 、 下游 水 压 力、 渗透压力、 地震动力作用。各个荷载均 按照 水工建筑物荷载设计规范进行 ( D I 30 7 7 1 9 9 7 ) 规定取 用 。地 震荷 载 同时 计入水平向和竖向的作用 ， 水平向地震加 速度代表值取 O 2 2 8 g ， 竖向地震加速度代 表值取 0 1 5 2 g ， 总的地震作用效应采用将 竖向地震作用效应乘以 0 5的耦合系数后 与水平向地震作用效应直接叠加。坝址属 于类场地， 地震设计反映谱按 水工建 筑物抗震设计规范 ( D L 5 0 7 3 2 0 0 0 ) 确定。 2 3计 算模 型 假定模型顺水流方向为 x正方向， 铅 垂 向上 为 Y正 方向。 大坝和地基按统一整体建模， 建基面 处坝体和土体按不同节点考虑，将坝体 、 土体分别划分为二维实体单元 。 混凝土防 渗墙与土体问采用面面接触的接触单元 模拟 ； 防渗墙采用线弹性单元 ， 其根部采 用 塑性铰模拟 。网格划 分 以四节 点等参单 元为主， 最终划分单元数如下 ： 坝体单元 数为 7 2 0个， 土体单元数为 1 4 1 0个。 2 4计算结果及分析 考虑位移及应力等值线图占用篇幅 较大 ， 本文不再示出， 仅通过计算成果表 及相应说明予以反映。土石坝段防渗墙应 力与变形计算结果见表 2 ，表中 1 3 1 、 3 分别为防渗墙的最大 、 最小主应力， 应力 均 以拉 为 正 ， 压为 负 ， 位 移 以偏 向下 游 为 正， 偏向上游为负。完建工况位移最大值 位于中部稍偏上部位， 最小值位于底端部 位 ， 均 偏 向上 游 ， 主要 是 由 于 自重产 生 的 附加应 力在 墙体下 游较 上游 稍大造 成 的 ； 其他工况位移最大值位于顶端部位 ， 最小 值位 于底端 部位 ， 主要 是 由于墙体 两侧 的 不均匀渗 透压力造 成的 。 表 2 凝土防渗墙的最大拉应力和最大压应力 分别为 0 3 7 M P a 和4 7 9 M P a 。综合分析以 上数据 ， 各个工况的压应力偏大 ， 但均在 前述经验值范围内； 塑性混凝土防渗墙 的 应力较普通混凝土防渗墙有所改善 ， 且 6 0 c m厚塑性混凝土防渗墙的应力最小。 单 从结构分析方 面来说 ，土石坝段选 用 4 0 c m、 6 0 c m厚 塑 性或 普 通 混凝 土 防渗 墙 均可。防渗墙厚度最终尚需结合施工质 防渗 墙应 力与变 形计算 成果 表 水平位移( c m) 1 ( k P a ) 口 ( k P a ) 计算 墙体弹 工况 模 ( MP a ) 4 0 c m 6 0 c m 4 0 c m 6 0 c m 4 0 c m 6 0 c m 最 大 - 0 4 4 - 0 2 2 1 0 8 5 2 1 1 7 - 3 9 1 0 - 3 9 3 0 1 0 0 0 最小 - 0 9 - 1 o 5 - 1 5 8 9 - 1 7 9 2 - 2 0 4 0 - 1 5 3 0 完建 最大 - 0 4 4 - 0 2 2 2 3 4 2 2 9 9 4 4 8 0 3 9 9 0 1 5 o o 工 况 最小 一 O 8 9 - 0 9 9 一 l 9 1 2 1 9 3 - 2 3 4 0 1 6 0 0 最 大 - 0 4 8 - 0 3 4 4 4 3 3 3 6 6 5 - 5 4 6 0 - 4 7 9 0 1 7 5 0 0 最小 - 0 8 7 0 8 8 - 3 5 2 3 - 3 4 0 4 - 2 8 5 0 - 1 9 4 0 最 大 2 O 8 3 2 0 2 1 3 4 7 1 6 8 2 3 3 4 o - 3 8 9 0 l O 0 o 最小 5 1 2 5 4 - 2 5 7 2 - 2 8 3 7 1 7 2 0 一 l 1 3 O 正常 最 大 2 0 9 6 2 0 3 4 2 8 5 3 2 1 1 5 - 3 7 0 0 - 3 9 4 0 1 5 0 0 挡水 最小 5 0 9 5 1 7 - 3 6 9 3 1 3 1 8 0 o 一 1 1 5 O 最大 2 1 1 3 2 0 4 3 l 6 2 7 8 5 1 2 O - 4 3 1 0 1 7 5 0 0 最小 5 1 5 1 4 - 3 9 l _ 8 - 2 6 8 1 - 9 8 2 - 9 9 4 最大 2 3 4 3 2 2 7 7 1 4 7 1 1 8 1 2 - 3 2 8 0 - 3 5 4 0 1 0 o o 最小 5 6 7 5 9 6 - 2 5 2 3 - 2 7 6 9 1 6 0 0 1 0 8 0 正 常 + 最大 2 3 5 6 2 2 9 2 9 9 4 2 2 5 9 3 6 4 0 - 3 6 8 0 1 5 o o 地 震 最小 5 6 5 5 7 3 - 3 6 5 5 - 3 0 5 5 - 1 7 1 0 1 1 2 0 最大 2 3 7 1 2 2 9 4 3 3 6 1 3 5 4 9 - 4 9 7 0 4 6 4 O 1 7 5 0 0 最小 5 6 5 5 7 3 8 4 4 - 3 5 8 6 - 8 3 8 - 8 7 8 上述计算考虑了普通混凝土和塑性混 凝土两 种墙体材料 ，其 中塑性混凝 土材料 考虑了两种弹性模量。 一般情况下， 弹性模 量为 1 7 5 0 0 MP a的普通混 凝土防渗墙 的抗 压 强 度 可 达 到 6 MP a ，抗 拉 强 度 可 达 到 0 9 MP a 。 根据经 验 ， 通过材料试 验可以找到 合适的配合比，将弹性模量为 1 0 0 0 M P a 1 5 0 0 M P a 的塑性混凝土的抗压强度和抗拉 强度控制在 5 MP a和 0 6 MP a以上 。 由于防渗墙的应力应变状况受地基 形变 、 墙体厚度 、 墙体材料等多方面因素 的影 响 ， 故各 个工 况下 所反应 的应 力应 变 情 况不尽相 同 。从计算 成果可 以看出 ： 对 于土石 坝段 ， 4 0 c m厚 塑性混 凝土 防 渗墙的最大拉应力和最大压应力分别为 0 3 0 M P a 和 4 4 8 M P a ， 4 0 e ra厚普通混凝土 防渗墙 的最大拉应力和最大压应力分别 为 0 4 4 MP a和 5 4 6 MP a ； 6 0 c m厚 塑性 混 凝 土防渗墙的最大拉应力和最大压应力分 别 为 0 2 3 MP a和 3 9 9 MP a ， 6 0 e m厚 普 通混 量 、 工艺等 因素选定 。 通 过对不 同材 料( 塑性混凝 土 和普通 混凝土) 的防渗墙墙体水平位移计算结果 来看， 相同工况条件下 ， 不同材料的墙体 水平位移相差不大 ， 说明墙体的水平位移 受墙 本身 的刚度影 响较 小 ， 而主要 是由地 基的变形性质控制的。另外， 减小墙体材 料的弹模 、 增加墙体的柔度 ， 即增加其与 坝基变形的协调性 ，可减少墙体的应力， 不过随着墙体柔性的增加 ， 其强度势必相 应减少日 ， 故墙体刚度的选择尚需结合现 场试验作进一步论证 。 另外， 计算结果说明， 地震作用对混凝 土防渗墙的应力及变形影响并不显著 。 不 会对防渗墙产生破坏变形。 3结论 黄河海勃湾水利枢纽土石坝坝基覆 盖层深厚， 采用混凝土防渗墙截断坝基渗 O 、 、 、 o。 0 塑性混凝土防渗墙 在土石坝中的应用及其质量控制 聂小红 唐 东明 ( 1 湖北大禹水利水电建设有限责任公司 湖北 武汉4 3 0 0 7 4 ： 2 湖北省漳河工程管理局 湖北 荆门4 4 8 1 5 6 ) 摘要 近年来， 在土石坝防渗加固中， 混凝土防渗墙加 固是一项应用较多且行之有效的技术。 本 文结合工程实例 ， 从塑性混凝土坝料及墙体材料配比设计、 施工方法、 施工质量控制等 方面阐述 了塑性混凝土防渗墙在 山西侧 田水库大坝除险加固中的应用经验，并总结了 质量控制措施， 为混凝土防渗墙工程施工质量控制提供了参考。 关键词 土石坝加固； 混凝土防渗墙； 质量控制 中图分类 号 ： 1 V 5 4 3 8 文献标识 码 ： B 混凝土防渗墙是水利水电及市政工程中 较普遍采用的一种地下连续墙。其利用专用 的造槽机械设备成槽， 并在槽孔 内注满泥浆 ， 以防孔壁坍塌 ，最后用导管在注满泥浆的槽 孔 中浇注混凝 土并置换 出泥浆 ， 筑成墙体 。 1工程概况 山西侧田水库位于桑干河干流上，总库 容 5 8亿 。大坝为均质 土坝 ， 采用水 中填 土和 碾压 法 筑坝 ，坝 体最 高为 4 1 5 m，全 长 1 0 8 0 m， 分为主坝、 南副坝、 北副坝。 本文主要 对南副坝坝基防渗处理进行分析，南副坝坝 高 1 0 5 m， 坝长 3 3 0 m， 覆盖层深 2 0 m且多为 沙土、 砂砾石及沙层， 地层条件十分复杂。防 渗墙 为普 通混 凝 土 ， 墙厚 O 8 m， 混 凝土 强 度 等级为 C1 0 。 侧田水库南酉 4 坝防渗墙工程在国内外首 次对塑性与刚性混凝土进行结构静力、动力 对比 分析， 最终采用塑性混凝土。并进行大量 配合比试验， 每立方混凝土水泥用量仅 8 0 k g ， 以及对黏土、膨润土掺加工艺采用湿掺法等 施工工艺 ， 都对常规 防渗墙工艺有重大突破。 2坝料及墙体材料设计 深入分析塑性混凝土的物理力学特性 、 抗渗性能、 耐久性， 以确定侧田水库南副坝塑 性混凝 土防渗墙设计方案 和施 工配合 比。 2 1 坝料 表 1 侧 田水 库南副 坝坝基 砂料及 土料 E B模型 试验参数 表 参数 n C m 砂 料 1 8 0 0 1 6 1 0 3 6 8 07 4 2 1 0 8 0 _ 3 l 土 料 5 7 0 4 6 l O 1 6 2 8 _ 3 0 6 3 6 1 5 - 8 0 7 7 9 表 2 侧 田水 库南副 坝塑性 混凝土 配合 比表 单位体积混凝土材料用量( k g m 2 ) 外加剂( ) 编号 水泥 黏土 膨润土 粉煤灰 水 砂 石 D H 4 一 A Y N H 1 1 0 0 1 2 0 1 0 0 31 1 6 91 8 4 3 l 2 8 0 1 4 0 5 0 3 7 0 6 9 6 7 4 0 O 2 5 3 7 0 1 3 O 3 0 5 0 3 7 0 6 7 4 71 7 O 3 1 4 8 0 1 6 0 4 0 3 4 0 6 8 9 81 7 O 4 5 1 2 O 1 5 0 3 0 3 3 0 6 6 3 8 5 3 表 3 侧 田水库 南副坝 塑性 混凝土 施工配合 比及 主要指 标 单位体积 棍凝土材料用量 特性指标 膨润 D H 4 坍落 扩散 水泥 黏土 砂子 石头 水 嚣 E2 8 p 2 8 土 一 A 度 度 2 1 x 8 0 7 0 5 0 6 5 5 7 9 3 3 5 0 0 4 21 41 1 2 3 9 7 0- 3 3 7 1 0 4 流符合一般的工程处理措施 ， 但 由于刚性的 深而薄的混凝土墙夹在较柔软的砂性土坝基 中， 如何考虑接触面形式及参数， 对防渗墙的 应力及变形会产生较大的影响 】 。本文通过 二维有限元方法计算 ， 考虑防渗墙与坝基土 体之间泥皮的作用， 采用接触单元， 适当减少 摩擦系数 ，得出的防渗墙应力及变形能较好 地符合其实际运用情况，为土石坝的安全设 计提供必要 的依据 ，可供相关 工程设计 人员 借鉴。陕西秘 剩 参考文献 1 】 郑秀培著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 2 】 朱伯芳著 有限单元 法原理与应用( 第二 版 ) 【 M】 北 京 ： 中 国水利 水 电 出版社 ， 1 9 9 8： 51 0 5 1 4 【 3 张金有， 李桂庆 哈拉沁水库大坝防渗墙 应力与变形分析 人 民黄河， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 4 ) 【 4 】 陈剑 ， 卢廷浩 结构形式及接触面参数对 防渗墙应力变形的影响分析U 】 水利水电技 术 ， 2 0 0 3 ， 3 4 ( 1 1 ) 5 】 孙明权， 常跃 影响混凝土防渗墙 内力及 变形 的 因素 分析 U 】 人 民黄 河， 2 0 0 6， 2 8 ( 4) ( 责任 编辑 ： 黄灵 芝)