土石坝刚塑性防渗墙组合方案研究

张士良

(抚顺县投资审计中心，辽宁 抚顺 113006)

土石坝对世界水利工程的发展起着至关重要的作用[1]，应用极为广泛，是坝工工程中使用最多的坝型[2]。而土石坝建筑中出现的地震液化以及渗流破坏等问题已经严重威胁了人们的生产生活，提高土石坝加固技术已成为近年来水利工程研究的重点。塑性防渗墙由膨润土、石子以及水泥等材料按一定比例配制而成，能够满足各类地质状况，具有非常好的渗透性能[3]。蔡小麟[4]等采用低碳塑性防渗墙方案，对高土石围堰进行了应力、应变分析，发现了墙的厚度直接影响着最大拉应力以及压应力的大小；徐建国[5]等从线弹性材料角度对防渗墙进行了数值模拟，对材料的弹塑性进行了深入的探讨。本文基于相关理论知识，结合英守水库土石坝相关工程概况，采用有限元计算软件ADINA，对土石坝防渗墙在加固过程中出现的问题进行了研究，通过建立的三维有限元模型，对施工期以及运行期四种条件下土石坝防渗墙相关应力、应变的分析，确定了土石坝防渗墙组合的方案，为今后相关工程的施工提供帮助。

1 工程概况及模型

1.1 工程概况

英守水库位于辽宁省浑河支流古城子河上，总库容为1140万m3，主坝采用粘土宽心墙堆石坝，顶宽4.5m，下游心墙坡比为1∶0.865，上游坡率1∶0.53，坝体主要以堆石、石渣等材料堆成，坝体上部填充红色泥砾石等材料。选取两种设计方案进行对比分析，方案一坝体上部采用6MPa的塑性混凝土，坝体下部采用C10刚性混凝土，为刚塑性组合；方案二为刚性墙方案，全部采用C10刚性混凝土。

1.2 模型的建立

利用有限元分析软件ADINA对土石坝进行三维非线性有限元分析[6]。其计算范围为坝体上游坝坡坡脚到下游坝坡坡脚，模型边界的选取基于防渗墙的组合方案向下延伸112m，向上顶部高程为658m。模型采用直角坐标系，以沿坝轴线由左到右方向为X轴正向，竖直向上为Z正向，顺水流方向为Y正向[7]。坝基和坝体主要由粘土、塑性混凝土和红色泥泥砾石等材料组成，材料物理特性参数见表1，防渗墙应按线弹性材料进行计算模拟。

表1 材料相关物理特性参数

在对不同工况进行受力分析时，只考虑水荷载及坝身自重。基岩上的防渗墙体施加上游水产生的水荷载，水容重为10.0KN/m3，从工况的角度考察施工期及运行期内防渗墙的刚塑性组合在应力及应变方面的影响，对施工期的最大水位及运行期的设计洪水位、校核洪水位和兴利水位四种条件下上游水位进行了测量，见表2。

表2 四种条件下特征水位表

利用有限元软件对三维模型进行网格划分，得到图1坝基和坝段P1断面网格图。坝体防渗墙两侧网格共划分48685个节点，47584个单元。模型坝基的侧边约束为y=0或x=0，底面约束为z=0，主要对防渗墙的最高断面P1进行分析[8]。

图1 坝基和坝段P1断面网格图

2 两方案防渗墙组合应力分析

2.1 施工期最大水位应力变形分析

图2为施工期最大水位下P1剖面应力分布图，由图可知，在施工期最大水位作用下，刚性防渗墙组合方案中，防渗墙剖面P1墙身的第一主应力由上到下逐渐变大，最大值为-0.53MPa，坝体心墙处应力也较大，从坝顶到坝底，应力的数值大小逐渐增大，最大值出现在坝底，为-1.37MPa，Y方向(沿河流方向)的应力变化主要体现在坝体两侧的形变上，而竖直高程(Z方向)的应力变化为从上到下应力值逐渐变大，最大应力值大小为-1.51MPa。在刚塑性组合方案中，P1剖面防渗墙墙身的第一主应力值由上到下逐渐增大，最大应力值为-0.62MPa，坝体心墙处应力值较大，Y方向(沿河流方向)的应力变化主要体现在坝体两侧变形性上，从坝顶到坝底，应力逐渐变大，在坝底处达到最大值，为-1.41MPa，竖直高程(Z方向)的应力值由上到下逐渐变大，最大值为-1.22MPa。

图2 施工期最大水位下P1剖面应力分布图

2.2 运行期应力变形分析

图3为运行期P1剖面阁主应力分布图，由图可知，不同的水位作用下坝身的应力作用也不相同，在校核洪水位作用下，刚性防渗墙方案中，防渗墙墙身的第一主应力由上至下逐渐增大，最大值为-0.66MPa，坝体心墙处所受应力值较大，由坝顶到坝底，其数值大小逐渐增大，在坝底处达到最大，为-1.32MPa，坝体两侧形变较小主要体现为Y方向(沿河流方向)的应力分布，而竖直高程(Z方向)的应力值由上之下依次增大，最大值为1.48MPa。刚塑性组合方案中，防渗墙墙身剖面P1所受应力由坝顶至坝底依次增大，最大值为-0.68MPa，坝体心墙处所受应力值较大，沿河流方向(Y方向)应力分布主要体现在坝体两侧变小，由上至下应力值逐渐增大，坝底处出现最大值，为-1.42MPa，Z方向(竖直高程)应力分布与刚性防渗墙应力分布相同，最大值出现在最底部，为-1.36MPa。

图3 运行期P1剖面各主应力分布图

在兴利水位作用下，刚性防渗墙方案中，防渗墙墙身所受第一主应力由上至下逐渐增大，最大应力值为-0.73MPa，坝体心墙处所受应力值较大，Y方向(沿河流方向)应力分布主要体现在坝体两侧形变较小，由坝底至坝顶，应力值逐渐减小，最小值为-0.21MPa，竖直高程方向(Z方向)应力分布为从上至下依次增大，最大值为-1.59MPa。刚塑性防渗墙组合方案中，防渗墙墙身第一主应力分布为由下至上依次减小，在坝顶处达到最小值，为-0.18MPa，坝体心墙处所受应力较大，沿河流方向(Y方向)应力分布主要体现在坝体两侧变小，由坝底至坝顶，应力值逐渐减小，坝顶处达到最小值，为-0.33MPa。Z方向(竖直高程)应力由上至下依次增大，最大值为-1.66MPa。

设计洪水位作用下，刚性防渗墙方案中，防渗墙墙体所受第一应力值从下至上依次减小，最小值为-0.10MPa，坝体心墙应力较大，沿河流方向(Y方向)所受应力值具体表现为坝体两侧较小的形变，从坝顶至坝底，应力值逐渐增大，在坝底处达到最大值，为-1.69MPa，竖直高程(Z方向)所受应力值由上至下依次增大，最大值为-1.89MPa。刚塑性防渗墙方案中，防渗墙墙身所受第一主应力值由上至下逐渐变大，最大值为-0.93MPa。坝体心墙处所受应力值较大，沿河流方向(Y方向)所受应力值由坝顶至坝底逐渐变大，在坝底处出现最大值，为-2.06MPa，Z方向(竖直高程)应力值由下至上依次减小，最小值为-0.27MPa。

3 两方案防渗墙组合应变分析

3.1 施工期最大水位应变分析

图4为施工期最大水位下P1剖面在水平方向与竖直方向的位移图，由图可知，在施工期最大水位作用下，刚性防渗墙方案中，防渗墙在竖直方向防渗墙中部附近发生最大沉降量，数值为35.23cm，水平方向在防渗墙与基岩接触处上方出现最大位移值，其数值为15.39cm。而在刚塑性防渗墙组合方案中，竖直方向最大沉降量发生在刚塑性防渗墙中部，为36.88cm，水平方向最大位移值出现在基岩与防渗墙交界处上方，最大值为14.33cm。

图4 施工期最大水位下P1剖面位移图

3.2 运行期应变分析

图5为运行期P1剖面水平及竖直位移分布图，由图可得，在不同的水位作用下，坝体产生的位移值也不相同。在设计洪水位作用下，刚性防渗墙方案中，竖直方向的最大沉降值出现在刚性防渗墙中部，其数值为33.29cm，水平方向最大位移值出现在基岩与防渗墙交界处附近，最大位移值为18.89cm。刚塑性防渗墙组合方案中，数值方向最大沉降值出现在刚塑性防渗墙中部上方，最大沉降量为40.21cm，水平位移出现在基岩与防渗墙交界附近，最大值为12.28cm。

图5 运行期P1剖面水平及竖直位移分布图

兴利水位作用下，刚性防渗墙竖直方向最大沉降量出现在刚性防渗墙中部上方，最大沉降量为42.33cm，水平方向最大位移值出现在基岩与刚性防渗墙交界处，最大值为16.69cm。刚塑性防渗墙组合方案中，竖直方向最大沉降量出现在刚塑性防渗墙中部，数值为29.99cm，最大水平位移出现在基岩与刚性防渗墙交界处，为34.68cm。

校核洪水位作用下，刚性防渗墙方案中，竖直方向的最大沉降量出现在刚性防渗墙中部上方，最大沉降量为30.33cm，水平方向最大位移值出现在基岩与刚性防渗墙交界处，数值为12.99cm。而在刚塑性防渗墙组合方案中，竖直方向最大沉降量出现在刚塑性防渗墙中部上方，数值为41.22cm，水平方向最大位移出现在基岩与刚塑性防渗墙交界处，最大位移值为11.19cm。

4 结论

针对英守水库土石坝实际施工需要，利用ADINA有限元分析软件对坝身进行有限元分析并建立三维模型，探究了不同工况下坝体的应力与应变规律，结果表明：

在应力及应变允许范围内，两方案所得结果相差不大，但由于坝体上部为新筑坝体，在实际运行的初期，产生的沉降量较大，结合坝体并未经历高水位考验，所以采用刚塑性防渗墙组合较为合适。

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