复杂地质条件下混凝土防渗墙设置方案数值分析

徐晓英

(青海省水利水电勘测设计研究院，青海 西宁 810000)

1 概述

某水库位于青海省境内，其土石坝采用黏土心墙坝形式，心墙下设防渗墙，采用全封闭防渗系统。大坝坝顶高程3402.6m，心墙底清基高程3372.2m，最大坝高30.4m，上游坝坡为1∶2.25，下游坝坡为1∶2.0。有关混凝土防渗墙的研究已取得了一定进展，包括针对大坝塑性混凝土防渗墙防渗性能开展的仿真分析，对土石坝低弹性模量混凝土防渗墙特性数值分析，对塑性混凝土防渗墙的抗渗性能研究，对深覆盖层上面板堆石坝防渗墙特性影响因素的研究。该水库土石坝地质条件复杂，防渗墙与坝基覆盖层刚度相差较大，为防止其产生不均匀沉降而导致防渗墙受到的拉、压应力超过其允许强度而产生破坏。在前人研究的基础上，利用有限元软件对设置的三种方案开展了数值模拟优化分析。

2 计算方法

2.1 模型建立

粉质粘土心墙砂壳坝从上游到下游共划分为6个分区：Ⅰ区(坝体围堰结合区)、Ⅱ区(上游砂砾石坝壳)、Ⅲ区(心墙上下游反滤层)、Ⅳ区(粉质粘土心墙)、Ⅴ区(下游砂砾石坝壳)、Ⅵ区(排水棱体)。复杂地基划分为6层：Ⅰ层(稍密-中密冲积砾石层)、Ⅱ层(中密-密实冲积砾石层)、Ⅲ层(全新统密实砾石层)、Ⅳ层(安山岩风化层2)、Ⅴ层(安山岩微风化-新鲜层)、Ⅵ层(坝体下大断层)。

三维模型网格剖分考虑了坝体6个分区、复杂地基6个分层、防渗墙以及防渗墙与坝基覆盖层之间的接触面，模型上下游分别取1.5倍坝高，模型共计单元121460个，节点162323个。计算过程中假定土石坝蓄水之前，坝体沉降已经完成。计算模拟了基础清理、防渗墙施工及土石坝施工，坝体竣工以后蓄水至校核洪水位几种工况。

2.2 模型边界条件

数值模拟时，以上覆岩体的重量作为竖向应力，进行初始应力计算。边界条件的选取直接影响到计算结果的正确性。根据现场勘查，结合工程实际，对计算模型施加速度边界条件：前边界(X=0m)、后边界(X=210m)，X向约束；前边界(Z=-41.7663)、后边界(Z=516.247m)Z向约束；模型底面(Y=0)固定，模型顶面自由。大坝三维整体计算模型如图1所示。

图1 大坝三维整体计算模型

表1 模型计算参数

2.3 模型参数

坝体和坝基选用Mohr-Coulomb本构模型，刚、塑性混凝土分别采用线弹性、Mohr-Coulomb本构模型，为较能精确反映出各种材料的受力特性，根据收集的工程地质资料，采用工程类比法，最终确定的模型计算参数见表1。

2.4 计算方案

混凝土防渗墙均采用刚性混凝土(C30、C25、C15)和塑性混凝土(弹性模量为3000MPa、1000MPa、500MPa)，而刺墙分别采用C20和弹性模量为1000MPa混凝土以及不设刺墙。计算方案见表2。

表2 计算方案

3 计算结果

3.1 方案一结果分析

方案一防渗墙应力计算结果如图2所示，防渗墙的垂直位移和水平位移计算结果如图3所示。

图2 方案一防渗墙应力计算结果

图3 方案一防渗墙位移计算结果

3.1.1防渗墙应力分析

(1)最小主应力分析

混凝土防渗墙弹性模量与自身受到的压应力约呈正相关关系。

C35、C30、C25、C15混凝土防渗墙最大压应力分别为23.3、23.2、23、21.9MPa，刚性混凝土防渗墙压应力最大值发生在距离防渗墙底部1/3位置附近。随着刚性混凝土弹性模量的增大，其自身受到的压应力基本稳定。C25、C30、C35混凝土受到的压应力满足要求，C15、C20混凝土受到的压应力不满足要求。

塑性混凝土防渗墙受到的压应力明显比刚性混凝土小，随着弹性模量的减少，防渗墙受到的压应力明显减少。弹性模量为3000、1000、500MPa的混凝土防渗墙最大压应力分别为5.99、4.93、3.67MPa。弹性模量为3000MPa的混凝土防渗墙受到的最大压应力在距离防渗墙底1/3位置附近，且分布范围较大，弹性模量为1000MPa和500MPa的混凝土防渗墙受到的最大压应力分布范围较小，基本存在于与基岩接触的部分。其中500、1000MPa混凝土防渗墙大面积受到的压应力分别小于2.5、3.0MPa。由于塑性混凝土要求的抗压强度不低于5MPa，即塑性混凝土防渗墙受到的压应力满足自身的抗压强度要求。

(2)最大主应力分析

混凝土防渗墙受到较大的拉应力，均超过规定的抗拉强度，将可能产生破坏。

刚性混凝土防渗墙受到的拉应力值较大，拉应力区域分布在防渗墙顶部两个边角以及防渗墙的底部位置附近，最大值发生在防渗墙顶端与刺墙和安山岩接触的位置附近。可能是由于这两处刺墙和安山岩对其约束较大导致的。其中C35、C30、C25、C15混凝土防渗墙受到的拉应力最大值分别为6.12、5.71、5.08、4.25MPa，超过其自身抗拉强度。同时在防渗墙中间最底部存在较大的拉应力，数值约在3.48MPa左右。由于此处断层为碎石，变形参数数值较小，在建筑物和土压力的作用下易发生变形，使防渗墙与坝基覆盖层易产生较大的拉应力和压应力。因此在施工时，应注意断层处理。

塑性混凝土防渗墙受到的拉应力值亦较大，但其拉应力区域相比于刚性混凝土防渗墙大幅度减少。塑性混凝土防渗墙的拉应力区域主要分布在防渗墙顶部与刺墙相接触的两个边角处，可能是由于此处防渗墙变形较大，但受到了刺墙的约束。因此可以通过减少刺墙的弹性模量来减少塑性混凝土防渗墙所受到的拉应力。其中，弹性模量为3000、1000、500MPa的混凝土防渗墙所受最大拉应力分别为6.79、6.55、3.14MPa。均超过混凝土抗拉强度。

3.1.2防渗墙应变分析

(1)防渗墙垂直位移分析

随着混凝土弹性模量的增加以及防渗墙深度的增大，混凝土防渗墙的垂直位移均逐渐减少，位移最大值发生在顶部。对于刚性混凝土防渗墙而言，垂直位移很小，而对于塑性混凝土而言，垂直位移较大，基本与坝基覆盖层变形相一致。其中C35、C30、C25、C15混凝土防渗墙最大垂直位移分别为3.46、3.56、3.77、4.41cm，弹性模量为3000、1000、500MPa的混凝土防渗墙最大垂直位移分别为11.96、13.02、14.90cm。

(2)防渗墙水平位移分析

随着混凝土弹性模量的增大，水平位移值变化不大；防渗墙顶部存在向下游的变形，防渗墙底部存在向上游的变形。水平位移最大值发生在防渗墙顶部。其中C35、C30、C25、C15混凝土防渗墙最大水平位移分别为1.03、1.02、1.03、0.83cm，弹性模量为3000、1000、500MPa混凝土防渗墙最大水平位移值分别为1.96、1.75、1.54cm。由于混凝土防渗墙水平位移值较小，即挠度较小，在坝体竣工期后(水库未蓄水)可能不会对混凝土防渗墙结构产生较大的影响。

3.2 方案二结果分析

由方案一计算结果可知：刚、塑形混凝土防渗墙均在刺墙与防渗墙接触的部位存在较大的拉应力，因此方案二对刺墙弹性模量进行改善分析时刺墙采用1000MPa混凝土材料。

通过计算可知，随着混凝土弹性模量的减少，混凝土受到的压应力逐渐减少。通过对比刺墙为C20的混凝土防渗墙受力可以发现，弹性模量为1000MPa的刺墙和心墙受力得到了明显的改善，拉、压应力数值变小；刚性混凝土受到的最大压应力并没有减少，塑性混凝土受到的最大压应力有所减少。对于刚性混凝土防渗墙，刺墙和心墙拉应力得到了改善，数值明显变小；对于塑性混凝土防渗墙，刺墙和心墙拉应力改善效果明显，刺墙及心墙已不存在拉应力区域，受力状况较好。

综上所述，可知刺墙采用塑性混凝土效果较好，改善了防渗墙顶部及刺墙、心墙受力状况，有利于防渗墙及刺墙、心墙的耐久性。

3.3 方案三结果分析

从计算结果中可知，刺墙采用塑形混凝土进行施工有利于减小防渗墙及刺墙受力，因此方案三模拟不设置刺墙。由于在施工过程中，粘土心墙内存在土工膜，因此，实际中可以不设置刺墙，改善粘土心墙和防渗墙受力，使其满足要求。

计算结果表明不设刺墙防渗墙顶部受到的拉、压应力数值减小；心墙底部拉应力明显减少。即不设刺墙改善了防渗墙受力，有利于其稳定。

4 结论

(1)当刺墙采用刚性混凝土时，防渗墙顶部存在较大的拉、压应力，不利于防渗墙的受力稳定；当刺墙采用塑性混凝土或不设刺墙时，刚性混凝土防渗墙顶部拉应力得到明显的改善，拉应力值大幅度减少，塑性混凝土防渗墙不存在拉应力区域，受力状况良好，满足抗拉强度要求。

(2)随着混凝土弹性模量增加以及防渗墙深度增大，混凝土防渗墙的垂直位移均逐渐减少，位移最大值发生在顶部；混凝土防渗墙的弹性模量对自身的水平位移及坝体的变形影响均较小。