红黏土塑性混凝土防渗墙与覆盖层变形协调及应力变形分析

李续楠　杨具瑞　张正安

摘要利用ABAQUS有限元模拟软件，对云南某黏土斜墙土石坝进行有限元分析，探究坝基中红黏土塑性混凝土防渗墙对覆盖层影响的变化规律。结果表明，在校核洪水位下，0.3、0.4和0.5 m防渗墙的铅垂向位移与覆盖层协调性较好；0.3 m厚防渗墙与覆盖层协调性稍差于0.4、0.5 m厚防渗墙；墙顶垂直应力值为墙底垂直应力值的58%左右，分布较为均匀，有利于墙体的安全；大小主应力值均以压应力为主，其中大主应力值在墙体与基岩连接处出现极小范围的拉力区，但拉应力值远小于抗拉强度0.19 MPa，小主应力最大值为-0.62 MPa，远小于抗压强度值1.69 MPa。

关键词红黏土塑性混凝土防渗墙；斜墙坝；有限元法；变形协调；渗流

中图分类号TV640.31文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）22-0162-05

AbstractABAQUS finite element simulation software was used to analyze the finite element analysis of a sloping core earth rock dam in Yunnan，and the influence of the plastic clay in the dam foundation was studied.The results showed that the vertical displacement of 0.3 ，0.4 and 0.5 m cutoff walls was better than that of the cover layer under the check flood level.The 0.3 m thick cutoff wall and the cover were slightly less than 0.4，0.5 m thick wall； the vertical stress value of the wall top was about 58% of the vertical stress value of the wall，the distribution was more uniform，which was favorable to the safety of the wall.The principal stress values were mainly compressive stress，The tensile stress was much smaller than the tensile strength of 0.19 MPa，and the maximum principal stress was -0.62 MPa，which was much smaller than the compressive strength value of 1.69 MPa.

Key wordsRed clay plastic concrete seepage wall；Inclinedwall dam；Finite element method；Deformation coordination；Seepage

水利工程是農业的命脉，水库的渗漏对农田灌溉有着不可忽视的影响。1989年起，以塑性混凝土防渗墙为防渗体的工程已达到了60余座，均解决了水利工程中的各类问题，且运行情况良好。沈珠江等[1]通过对三峡二期围堰中塑性混凝土防渗墙的有限元模拟，表明塑性混凝土防渗墙在复杂断面覆盖层中的位移和应力情况均在安全范围内；于玉贞等[2]通过对比分析小浪底工程围堰下拟建的塑性混凝土防渗墙和刚性混凝土防渗墙，表明塑性混凝土防渗墙具有较好的变形能力和较低的应力水平；宋博等[3]通过对不同荷载下的塑性混凝土渗透试验，表明塑性混凝土应力水平在30%～80%时，渗透系数不会显著增大，防渗效果良好；李创团[4]通过广西凤亭河水库塑性混凝土防渗墙试验的研究，表明塑性混凝土在只掺入黏土的情况下，可以满足工程中抗压强度及抗渗性的要求，能够适应土层周围的变形，大大降低工程造价。基于国内对单独掺入云南红黏土的塑性混凝土应用较少、数值模拟较为匮乏，笔者结合云南省某斜墙土石坝，采用三维有限元法对蓄水期不同水位下[5]的红黏土塑性混凝土防渗墙进行有限元模拟分析，对比分析红黏土塑性混凝土防渗墙在校核洪水位、正常蓄水位及死水位下与两侧覆盖层之间的变形协调性以及防渗效果。

1物理模型、模型参数及ABAQUS模型

1.1物理模型

云南省石林县路美邑新坝水库，其工程规模为小（2）型蓄水工程，枢纽工程等别为Ⅴ等。经大坝安全评价鉴定路美邑新坝水库大坝为三类坝。坝顶高程为1 734.66～1 735.41 m，此次复核高程为1 735.00 m，最大坝高12.50 m， 现状坝顶长约220.00 m，坝顶宽5.00～8.00 m，此次复核宽为6.00 m，上下游坝坡坡均比为1∶2.0。红黏土塑性混凝土防渗墙位于斜墙下端中部，厚度为0.3 m，墙顶插入斜墙0.5 m，墙底深入基岩0.5 m。该研究主要模拟防渗墙在校核洪水位、正常蓄水位、死水位下与覆盖层之间的变形协调性及抗渗能力。坝体及红黏土塑性混凝土防渗墙，坐落于黏土砾石冲洪积层和二叠系上统峨眉山玄武岩上。坝体的典型横、纵剖面图如图1和图2所示。

1.2计算模型参数该研究中ABAQUS计算模型的参数均在云南淩屹工程设计有限公司针对该工程的协助下试验得出，对模型合理分区后并考虑湿化效应的材料参数如表1所示。

1.3三维有限元计算模型

在数值模拟中，坝体及防渗墙的应力变形受到了覆盖层、基岩以及两岸山体的影响，为了使计算结果更加接近实际情况，得到的结果更加准确，在建立计算模型过程中，除了坝体之外还应包括两岸山体、覆盖层以及基岩。此次计算所应用的软件为非线性功能强大的ABAQUS，采用Hypermesh软件建立物理模型以及劃分网格，导入ABAQUS/standard模块中完成计算。计算网格单元总个数140 312个，单元警告数203个，网格警告率为0.14%，网格整体质量较好，模型整体三维有限元网格如图3所示。

1.4关键部位网格、分级填筑、地应力平衡及流固耦合

1.4.1关键部位网格质量。

网格的质量对计算结果有着很大的影响，该研究中的计算网格单元数量140 312，其中在关键部位，即斜墙下的红黏土塑性混凝土防渗墙及其周围覆盖层进行网格的加密，在加密过程中，通过初次计算以及再次加密网格密度来比较关键部位计算结果误差，初步判断网格密度是否合适[6]，前后两次垂直应力计算结果误差为3%，小于规范误差最小值5%，可以初步认定网格的精度可达到基本要求。

1.4.2地应力平衡。

在坝体填筑前，由于覆盖层、基岩的自重产生的应力[7]，往往要考虑覆盖层、基岩对红黏土塑性混凝土防渗墙以及坝体的影响，同时又要求施加地应力后，填筑坝体前的覆盖层以及基岩不产生变形，因此需要对覆盖层以及基岩进行地应力的平衡。覆盖层以及基岩地应力平衡后，在保证其各应力基本不变的情况下，位移量由自重情况下的厘米量级减小至10-6 m量级，接近于零，可见地应力平衡已满足要求。地应力平衡后的坝体位移如图4所示。

1.4.3施工蓄水的模拟。

在三维有限元计算分析中，将整个模型分为11个分析步，控制各层单元的生死，通过分级加载的计算方式，实现对工程分级填筑的模拟[8]，施工过程中坝基覆盖层、防渗墙先于坝体填筑，斜墙与坝体填料同时分级填筑上升，在模拟施工完成后，分别模拟蓄水至校核洪水位、正常蓄水位及死水位。具体模拟过程如表2所示。

1.4.4ABAQUS中流固耦合的实现。

目前土石坝的有限元模拟分析，往往单独进行应力场和渗流场的模拟，虽然简单易行，但和实际工程不符，经前人研究得出，单独考虑应力场和渗流场的情况下，所得计算结果与应力场、渗流场耦合作用下的计算结果有明显差异。该研究在计算模拟中考虑应力场和渗流场的相互作用下，通过选择单元类型、改变孔隙率进而改变渗透系数的方法，实现应力场和渗流场的耦合分析。

2本构模型

红黏土塑性混凝土是相对刚性混凝土掺入了大量的云南本地红黏土，使得红黏土塑性混凝土与坝体填土和覆盖层等有着相似的本构关系和变形能力。目前在水利工程中主要采用邓肯张E-B模型实现对土石坝的模拟。相比摩尔库伦等其他本构模型，邓肯张E-B模型能够更加准确地反映出应

力变形情况。在参数的选取上，邓肯张E-B模型有着成熟经

验且确定较为方便，故此次模拟中选取邓肯张E-B模型作为土石坝体及防渗墙的本构模型，其本构模型公式如下[9]：

Et=Kpaσ3pan1-Rf（σ1-σ3）（1-sinφ）2c cosφ+2σ3 sin φ2 （1）

Eur=Kurpaσ3panur （2）

Bt=Kbpaσ3pam（3）

式中，Et为切线变形模量；K为切线模量基数；n为切模量指数；c为凝聚力；σ1为土体的大主应力；σ3为土体的小主应力；φ为内摩擦角；Rf为破坏比；Eur为切线弹性模量；Kur、nur为由试验确定的系数，确定方法与K、n相似；Bt为体积弹性模量系数；Kb为K的基数；m为体积模量指数；pa为大气压。

3防渗墙与覆盖层变形协调性分析

为了便于对比分析红黏土塑性混凝土防渗墙在不同工况下的变形情况，该研究选取坝体纵剖面进行应力变形的对比分析。该研究主要研究上游水库分别蓄水至校核洪水位、正常蓄水位及死水位时，红黏土塑性混凝土防渗墙与两侧覆盖层的变形协调性和抗渗能力。此次计算模拟中，规定顺河向位移向下游为正，铅锤向位移以向上为正，各个主应力以拉为正，反之为负。

3.1防渗墙与覆盖层铅垂向协调

由图5可见，

在校核洪水位下，防渗墙厚度分别为0.3、0.4和0.5 m时，墙顶铅锤向位移值分别为-2.22、-2.10和-2.05 cm，墙底铅锤向位移值分别为-0.68、-0.69和0.69 cm，位移值随着高程的增加而增大，防渗墙的最大位移值均发生在墙顶，最小值發生在墙底。上、下游覆盖层整体位移值与防渗墙较为接近[10]，协调性较好，由于上游坝址的拖拽，在墙顶附近协调性稍差，但在合理范围内。随着防渗墙厚度的增加，同一高程点的防渗墙位移值逐渐减小，且随着高程的增加，减小的趋势越明显。

3.2防渗墙与覆盖层顺河向协调

由图6可知，在校核洪水位下，防渗墙及覆盖层的顺河向位移值最大值发生在1 718.5 m附近，其中0.3、0.4和0.5 m防渗墙顺河向位移最大值分别为-0.54、-0.54和-0.53 cm，最小值均发生在墙顶附近，分别为-0.10、-0.13和-0.14 cm。其中防渗墙中部位移均大于墙顶和墙底的位移值。随着墙体厚度的增加，此时防渗墙变形能力变差，同一高程点的顺河向位移值随之减小，但在墙顶附近，随着墙体厚度的增加，在上游坝趾的作用下，墙体顶端受到拖拽作用减小，故顺河向位移值有所增大。

3.3防渗墙变形及应力

图7为校核洪水位下，防渗墙的铅垂向沉降值与顺河向位移计算结果。由图8可见，在校核洪水位下作用，防渗墙厚度分别为0.3、0.4和0.5 m时，墙体内部的垂直应力最大值分别为-0.61、-0.57和-0.56 MPa，均发生在墙底，最小值分别为-0.37、-0.34和-0.32 MPa，均发生在墙顶，墙顶垂直应力值分别为墙底的60%、58%和57%。墙体顶部垂直应力为墙底的50%～60%，垂向应力值分布较为均匀[11]，与传统混凝土小于10%范围相比，有着明显区别。其原因是传统的刚性混凝土防渗墙变形能力较差，与两侧覆盖层产生巨大沉降差，如小浪底工程中的防渗墙与覆盖层沉降差高达28.2 cm，在防渗墙和墙体之间产生巨大的拖拽力，导致防渗墙底部垂向应力值远大于顶部应力值。当防渗墙在不同水位作用下，墙体在校核洪水位、正常蓄水位及死水位下的垂直应力值随着水位的下降而减小。在相同水位作用下，随着防渗墙墙体厚度的增加，垂直应力值也随之减小，表明厚度的增加有利于减小斜墙下部的红黏土塑性混凝土防渗墙垂直应力。校核洪水位下，防渗墙厚度分别为0.3、0.4和0.5 m时，大主应力的最大值分别为-0.06、-0.62和-0.77 MPa，大主应力只在防渗墙与两端的极小区域内出现拉应力，但仅有0.04 MPa，远远低于该研究工程中的红黏土塑性混凝土抗拉破坏值0.19 MPa。在防渗墙纵剖面的上的小主应力，同样以压应力为主，最大值均发生在墙底。在校核洪水位下，防渗墙厚度分别为0.3、0.4和0.5 m时，小主应力的最大值分别为-0.58、-0.54和-0.52 MPa，最大值均为达到该研究工程中的抗压强度破坏值-1.69 MPa，故防渗墻是安全的[12]。

4结论

在校核洪水位作用下，铅垂向位移值随着墙体厚度的增加，协调性变差；铅垂向位移值随着墙体厚度的增加，协调性变好；墙顶与墙底垂直应力比值随着墙体厚度的增加，有减小的趋势，表明墙体厚度的增加不利于墙体的安全；0.3、0.4和0.5 m的大小主应力值均为超过破坏值，故防渗墙是安全的。

参考文献

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