东川水库低弹模混凝土防渗墙应力变形分析.pdf

东川水库低弹模混凝土防渗墙应力变形分析 张 冲隆 ( 福建省水if ,0 水电科学研究院，福建 福州3 5 0 0 0 1 ) 摘要：该文结合平和县东川水库大坝混凝 土防渗墙工程 实例 ，采用二 维非线性 邓肯 ( EB) 模型，对不同弹性模量、不同厚度的防渗墙进行应力、变形分析 ，为水库除险加 固设计提供依 据。分析结果表明：弹性模 量对防渗墙应 力影响较 大，对变形影响较 小；墙厚对防渗墙应力、 变形影 响 均较 小。 关键词：防渗墙；应力；变形；弹性模量；邓肯 ( E B )模型；东川水库 中图分类号： T V 5 4 3 8 2 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 23 0 1 1 【 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 4 9 04 引 言 土石坝除险加 固工程中 ，坝体防渗较 多采用混 凝土防渗墙。混凝土防渗墙具有成墙整体性好、厚 度均匀连续、质量可靠、防渗效果好、观测方便、 耐久性好等特点，是一种比较稳妥可靠的防渗加固 处理措施 。中小 型水库除险加固工程对稳定、渗 流问题研究较多 ，对 防渗墙应 力、变形研究相对较 少 。现根据平和县东川水库除险加 固实际情况 ，分 析不同弹性模量、不同墙厚情况下，混凝土防渗墙 的应力、变形情况，为水库除险加固设计提供依据。 1 工程概况 东川水库位于漳江上游的平和县安厚镇东川村 ， 距平和县城 5 0 k m，是一座以灌溉为主 ，结合发电、 防洪等综合利用的多年调节中型水库。水库除险加 固后死水位 2 1 2 3 3 m，正常蓄水位2 3 0 0 0 m，设计 洪水位 2 3 2 6 8 m，校核洪水位 2 3 3 6 7 m，总库容 1 6 1 7 万 m 。枢纽工程包 含大坝 、溢 洪道 、输水 涵 洞 、坝后 电站及管理房等。工程于 1 9 6 5年 6月动工 兴建，1 9 6 7年 9月竣工 蓄水 ，至今 已运行将 近 5 0 年 ，于 2 0 0 9年被鉴定为 “ 三类坝”工程。 大坝为均质土坝 ，坝顶高程 2 3 4 5 3 m，坝顶宽 5 5 m，防浪墙顶高程 2 3 5 7 3 m，坝顶长 2 0 8 0 m， 最大坝高 3 6 5 3 m。大坝迎水 面坡 比 自上而下分别 为 1 ： 2 5 、1 ： 3 、I ： 3 5 、I ： 3 8 、I ： 4 ，高程 2 2 6 2 6 m、2 1 8 0 0 m、2 1 0 0 0 m 分别设宽 2 0 m 的马道 ， 高程 2 0 8 4 3 m设宽 1 0 m的马道。背水坡坡比自 上 收稿 日期：2 0 1 6 0 5 0 9 而下分别为 1 ： 2 、1 - 2 3 、1 ： 2 5 、1 ： 2 5 、1 ： 2 ，高程 2 2 6 2 6 m、2 1 7 7 9 m、2 1 0 0 0 m、2 0 8 0 0 m分别设 宽 2 0 m、4 0 m、4 0 m、8 1 n l的马道 。背水坡 2 1 7 7 9 m以下为堆石棱体。 坝体筑填土主要成分为粘性土，均匀性较好， 回填时经分层压实。坝基从上至下分别为凝灰熔岩 残积粘性土、全风化凝灰熔 岩、强风化凝灰熔岩及 弱风化凝灰熔岩 。 2 水库大坝存在的主要问题 1 9 8 5年坝坡发现白蚁活动现象 ，左坝岸坡尤为 严重，曾挖出蚁巢多处。库水位高于2 1 8 0 0 m高程 时，右岸桩号 0+ 0 8 0 0+1 2 0段 ，2 1 7 m高程及 以 上 2 m区域 ，出现 4 06 0 IT I 湿坡带 ，随即进行灌 浆处理。灌浆工程于 1 9 8 5年 5月动工，同年 1 2月 2 5日竣工。灌浆处理后，湿坡问题基本解决。 2 0 0 6 年水库高水位运行时，大坝背水坡高程 2 2 6 0 0 m以 下湿坡面积达 3 8 0 n a ，后 即限制水位运行。 大坝加固前存在的主要 问题 ：坝体筑填土压实 度均偏低，含水率偏高。筑填土干密度差异较大， 压实度变化较大 ，呈弱 中等透水性 。水库高水位 运行时 ，大坝背水坡出现大面积湿坡。 3 除险加固方案设计 经过综合比较，坝体除险加固采用冲击钻造混 凝土防渗墙方案。拓宽坝顶 以后 ，在高程 2 3 3 7 3 i n 进行混凝土防渗墙施工。防渗墙中心线位于坝上 0 + 0 0 2 0 5 ，与坝轴线平行，墙厚 0 8 In ，中心线长 2 1 2 8 9 m，墙顶高程2 3 3 6 7 m，防渗墙面积5 9 3 0 m 2 ， 4 9 图 1 坝体典型 断面 压强度 R 8 19 MP a ，抗拉强度 R 2 8 0 9 MP a ，抗渗 于 1 X 1 0 c m s 。 4 应力变形计算 4 1 计算程序 4 2 计算区域和边界条件 ： 霸 ： 4 3 计算模型 l l = 3 B l 3 B 3 B 们o ll l l J L 0 0 E J L y 5 0 式 中：A 为 方 向应力增量 ； A6 为 方向应变增量 ； Ao 为 】 ， 方向应力增量 ； A6 为 y方 向应变增量 ； 为剪应力增量 ； y 为剪应变增量； E为切线弹性模量 ； 为切线体积模量。 本次分析中，材料的应力应变关系采用非线性 模型 ( 邓肯 ( EB )模型) ，如果某单元处于初始 加载状况，其切线弹性模量 E 和切线体积模量 的 相应计算公式为： 一 。 B ： p 。 1 Po 1 卸载时 ，采用卸载弹性模量 ： E = K urp 。 f 1 式中： 和 分别为最大和最小主应力； P 。 为大气压力 ； c 和 为强度指标 ； ，为破坏 比； K为弹性模量数 ； 为弹性模量指数 ； 为体积模量数； m为体积模量指数； K 为卸载弹性模量数。 4 4 计算方法 计算单元采用四边形等参单元，坝体填筑土等 材料应力应变采用非线性邓肯 ( E B )模型。整个 计算分析的模型共剖分 i 4 6 3个单元、1 5 6 9个节 点。计算中模拟坝体的加固施工和蓄水过程，首先 填筑坝体 ，然后加固施工 ，最后施加 水压力 ，一次 u 1u十昴 蓄水至设计水位 。 4 5 材料参数 邓肯 ( EB)模型是弹性非线性模型，需通过 三轴固结排水试验确定模型参数。根据地质勘探、 土工试验结果和以往经验 ，邓肯 ( EB)模型材料 参数采用值见表 l 。 混凝 土 防 渗 墙 弹性 模 量 分 别 取 1 0 0 0 MP a 、 3 0 0 0 MP a 、5 0 0 0 MP a 、1 0 0 0 0 M P a ，泊松 比 0 1 7 ， 容重 2 4 0 k N m 。坝基弹性模量取 1 0 0 0 0 MP a ，泊 松 比0 3 ，容重 2 5 0 k N m 。 4 6 接触面单元 目前工程中常用的接触面单元有 G o o d m a n无厚 度单元，其先是应用于岩石力学中作为节理单元， 后来作为接触 面单元 ，被推广应用于土与结构相互 作用的有限元计算 中，由于形式 简单 ，应用方便 ， 目前仍被广 泛应用 J 。本 次在 混凝 土防渗 墙 与坝 体、全风化凝灰熔岩和弱风化凝灰熔岩之间设置接 触面单元， 其切向劲度系数 k 按下式计算，法向劲 度系数 k 根据接触面受拉和受压状态分别取 l 0 k N m 和 1 0 k N m 。 K ( 1 一 c + tr ta r 1 2y 式中：r为剪应力 ，k P a ； 为法 向应力 ，k P a ； c 为接触面材料粘聚力 ，c=1 0 k P a ； 混凝土防渗墙 第l 主应力混凝土防渗墙 第1 主应力 ( 1 )1 0 0 0MP a 为接触面材料外摩擦角 ，8=1 0 。 ； 为水 的容重 ， = 9 8 k N m ； P 为大气压力， P 。 = 1 0 0 k P a ； K、n 、R ， 为非线性指标，由直剪试验确定， K=1 4 0 0 ， = O 2 ，吩= 0 8 6 。 4 7 计算成果分析 4 7 1 弹性模量对防渗墙应力和变形影响 计算采用墙厚 0 8 m，混凝土 防渗墙 弹性模量 分别取 1 0 0 0 MP a 、3 0 0 0 MP a 、5 0 0 0 MP a 、1 0 0 0 0 M P a ，水位从死水位上升至正常蓄水位。计算结果 见表2 ，墙体大小主应力沿墙高分布情况分别见图3 和图4 。从计算结果看，混凝土防渗墙弹性模量对 墙体变形影响很小，对墙体应力影响较大。混凝土 防渗墙弹性模量越高，墙体拉应力越大，越会恶化 防渗墙应力状况。降低弹性模量虽然减小了墙内应 力值， 但也降低了墙体强度。根据福建省水利厅厅 长办公会议纪要 ( 2 0 0 9 )1 9号 福建省水利厅关于 低弹模混凝土防渗墙有关问题 的会议纪要 的建议 “ 混凝土弹性模量在 3 0 0 05 0 0 0 M P a为宜” ，综合 表2 不同弹性模量混凝土防渗墙应力变形计算值 混凝土防渗墙 第1 主应力混凝土防渗墙 第1 主应力 ( 2)3 0 0 0MP a ( 3)5 0 0 0MP a 图3 不同弹性模墙体的最大主应力 ( k P a ) ( 4)1 0 0 0 0MP a 51 混凝土防渗墙 第 混凝土防渗墙 g3 主应力 混凝土防渗墙 第3 主应力 混凝土防渗墙 第3 主应力 ( 1 )1 0 ( X ) MP a ( 2) 3 0 0 0 MP a ( 3) 5 ( Io oMP a ( 4)1 ( 0 0MP a 图4 不同弹性模量墙体的最小主应力 ( k P a ) 造价 因素并考虑一定安全度 ，初定混凝土防渗墙 弹 性模量为 5 0 0 0 MP a 。 4 7 2 墙厚对防渗墙应力和变形影响 根据上下游最大水头差和防渗墙允许水力坡降， 确定防渗墙最小厚度应大于 0 4 m。本次防渗墙厚 分别取 0 6 m、0 8 m和 1 2 i n进行应力 和变形计 算 ，混凝土弹性模量均采用 5 0 0 0 MP a ，水位从死水 位上升至正常蓄水位 ，计算结果见表 3 。从 计算结 果看 ，防渗墙最大主应力随墙厚 的增加而增大 ，最 小主应力随墙厚 的增加而减小 ，防渗墙水平位移随 墙厚的增加而减小 ，但数值均相差不大 。由此可见 ， 同一弹性模量的混凝土防渗墙位移和变形受墙厚的 影响较小，防渗墙墙体厚度主要由结构强度、抗渗 强度 、耐久性 、施工条件及施工技术 ( 本工程采用 冲击钻造混凝土防渗墙)等确定，本工程混凝土防 渗墙厚度采用 0 8 m。 表 3 不同墙厚混凝土防渗墙应力变形计算值 4 7 3 防渗墙变形分布特征 图 5为厚 0 8 m、弹性模量 5 0 0 0 MP a混凝土防 渗墙 ，当库水位从死水位分别上升至正常蓄水位 和 校核洪水位时防渗墙水平方向位移分布图。防渗墙 水平位移在 防渗墙 中上部 最大 ，正常蓄水 位 为 4 7 m m，校核洪水位增大为 8 9 m m，向墙顶 、墙底逐渐 减小 。墙底 由于受基础约束 ，位移接近为零 。正常 蓄水位工况下 ，防渗墙垂直位移最大值为 1 4 m m， 发生在防渗墙顶部。总体来说，防渗墙水平方向位 移明显大于垂直方向位移。上游水位变化对防渗墙 5 2 宣 堪 框 0 水平 位 移 mm 图5 防渗墙水平位移 水平位移影响较大，水位升高，水平位移增大。 5 结语 平和县东川水库混凝土防渗墙静水压力作用下 应力 、变形计算对 比分析结果如下 ：混凝土弹性模 量对防渗墙应 力影 响较大 ，弹性模量越大 ，越会恶 化防渗墙应力状况，混凝土防渗墙拉应力越大。防 渗墙厚度对应力变形影 响较小 ，应 根据渗透稳定 、 耐久性和施工技术综合确定。混凝土防渗墙水平位 移在防渗墙 中上部达到最大值 ，防渗墙水平方 向位 移明显大于垂直方 向位移，上游水位 变化对 防渗墙 水平位移影响较大。 参考文献 1 李少明 ，秦忠 国 林溪水库主坝防渗墙应力变 形的有 限元分 析 J 人 民长江，2 0 1 2 ，4 3 ( 1 9 ) ：7 27 4 2 李守德，俞洪良 G o o d m a n 接触面单元的修正与 探讨 J 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ，2 0 0 4 ，2 3 ( 1 5 ) ：2 6 2 8 2 6 3 1 作者简介 ：张 冲 隆 ( 1 9 7 8一) ，男 ，福建 永 定 人 ，工程师，从事水利水 电工程设计工作。 i ， 1 J I T I t ， J ， v v n v v n v n n v n v n v n v v n v n v n v v v v v v 应 叶p 叶 +蜘 “ v 3f v O ， 6 6 ， ， ， 口 O v c J ， o 口 ， ， v O O ， O ， J 1 l 口 口 ， 、 t X i I O x Y v 口 口 v ， - 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