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摘要:

防滲墻良好的工作性態(tài)是深厚覆蓋層土石圍堰正常運(yùn)行的重要保障，為弄清不同材料、不同設(shè)置位置、不同結(jié)構(gòu)型式防滲墻在深厚覆蓋層條件下的工作性態(tài)，給在該種環(huán)境下防滲墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，以某實(shí)際工程為研究背景，采用有限單元法，借助ABAQUS大型商用有限元計(jì)算軟件，對(duì)該工程防滲墻的各種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，得出了不同方案條件下防滲墻的應(yīng)力、位移變形等規(guī)律。根據(jù)計(jì)算得出的規(guī)律從定性與定量2個(gè)方面對(duì)該工程防滲墻的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化選擇，研究表明:采用塑性混凝土防滲墻優(yōu)于剛性混凝土防滲墻，前者與圍堰的變形更協(xié)調(diào)，更有利于圍堰的安全;防滲墻的設(shè)置位置對(duì)圍堰自身的應(yīng)力、位移變形影響較大，防滲墻設(shè)置離上游堰腳1/3堰底寬度的地方優(yōu)于將防滲墻設(shè)置在堰軸線的地方;當(dāng)一道防滲墻不能滿足設(shè)計(jì)要求，可以考慮采用雙防滲墻的結(jié)構(gòu)型式，這種結(jié)構(gòu)型式能大幅度提高圍堰的安全裕度。

關(guān)鍵詞:

深厚覆蓋層;土石圍堰;防滲墻;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元計(jì)算

圍堰是水利工程中重要的臨時(shí)擋水建筑物，其自身安全關(guān)系到整個(gè)施工導(dǎo)流工程乃至主體工程的安全，并且涉及到下游的安全問題［1］。西部水電樞紐工程圍堰通常建設(shè)在河床的深厚覆蓋層上，在深厚覆蓋層上修建土石圍堰，防滲體系的安全性決定了圍堰體的整體安全。據(jù)國內(nèi)外不完全統(tǒng)計(jì)，建于覆蓋層的建筑物尤其是水工建筑物，發(fā)生事故主要是由于基礎(chǔ)滲透破壞、沉陷太大或滑動(dòng)等因素導(dǎo)致的［2］，因此有必要采用數(shù)值模擬計(jì)算分析深厚覆蓋層不同防滲體系下防滲體的工作性態(tài)。本文以某水電站上游土石圍堰為研究背景，對(duì)深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻的材料、放置位置及結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化研究，為類似工程防滲體系的選擇提供參考。

1工程概況及計(jì)算模型

1．1工程概況某水電站上游土石圍堰堰頂高程為875．5m，頂寬10m，設(shè)計(jì)擋水位為874．3m。圍堰最大高度70m，河床覆蓋層平均厚度達(dá)75m，覆蓋層從下而上大致劃分為3層，依次為覆蓋層Ⅰ(砂卵石夾碎石塊)，該層一般厚4．44～13．84m，最厚16．44m;覆蓋層Ⅱ(砂卵石夾土，層中夾少量碎石)，該層一般厚11．23～36．80m，最薄處僅有2．25m，最厚處達(dá)58．01m;覆蓋層Ⅲ(砂卵石夾少量塊石)，該層一般厚23．81～35．89m，最薄11．15m，最厚處可達(dá)52．60m。高程833．3m以上的堰體為干地碾壓填筑而成，圍堰迎水面坡比1∶2．0，背水面坡比1∶1．75，高程833m以下的堰體為水下填筑，迎水面和背水面的坡比都為1∶1．5。該圍堰采用的是塑性混凝土防滲墻上接復(fù)合土工膜防滲斜體的防滲結(jié)構(gòu)形式。

1．2計(jì)算模型及參數(shù)該土石圍堰工程計(jì)算模型如圖1。計(jì)算模型參數(shù)來自參考文獻(xiàn)原始資料，材料參數(shù)見表1至表3。

2防滲墻材料選擇的研究與分析

用該土石圍堰模型作為計(jì)算模型，對(duì)深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻材料進(jìn)行優(yōu)化研究。防滲墻材料一般有剛性混凝土與塑性混凝土2種，塑性混凝土是在剛性混凝土的基礎(chǔ)上而發(fā)展起來的，它是由砂子、水、水泥、膨潤土和黏土等組成。下面通過不同的計(jì)算方案對(duì)不同材料防滲墻進(jìn)行計(jì)算分析，總結(jié)其應(yīng)力變形規(guī)律，為深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻材料的選擇提供參考。

2．1計(jì)算方案為了便于對(duì)比分析，防滲墻的混凝土材料分別選用2種剛性混凝土和2種塑性混凝土。計(jì)算中各材料參數(shù)的取值見表4。防滲墻混凝土及覆蓋層地基采用線彈性本構(gòu)模型，土石壩壩體材料采用鄧肯－張E－μ本構(gòu)模型，參數(shù)見表1至表3。計(jì)算工況:圍堰上游水位蓄至874．0m，下游抽水至基坑底部(水位723．0m)，基坑開挖完成。

2．2結(jié)果分析方案1至方案4防滲墻應(yīng)力位移的最值見表5。由于防滲墻的水平位移取決于墻后主體的支撐條件及墻頂?shù)乃艿暮奢d情況，且墻底部嵌入基巖中，不同材料防滲墻水平、豎向位移分布見圖2，從圖2(a)可以看出，各種方案中防滲墻的水平位移變化不大，方案3的水平位移值最大，但也才11．90cm。從圖2(b)可以看出各種方案防滲墻豎向位移最大值都發(fā)生在墻頂，根據(jù)圖2(b)曲線切線斜率可得出當(dāng)防滲墻的彈性模量＜1000MPa時(shí)，豎直方向的最大位移隨著防滲墻材料彈性模量的增加而迅速降低，然而當(dāng)彈性模量＞1000MPa時(shí)，豎直方向最大位移隨著防滲墻材料彈性模量的增加而緩慢降低。不同材料防滲墻第一、第三主應(yīng)力分布見圖3，從圖3(a)可以看出，防滲墻的最大主應(yīng)力隨著彈性模量的降低而降低，由方案1的6．13MPa降到方案4的2．52MPa;根據(jù)最大主應(yīng)力曲線可得到，當(dāng)防滲墻材料的彈性模量＜1000MPa時(shí)，最大主應(yīng)力隨著彈性模量的降低而迅速減小，當(dāng)防滲墻材料彈性模量＞1000MPa時(shí)，最大主應(yīng)力變化比較緩慢。從圖3(b)可以看出各種方案防滲墻最小主應(yīng)力均為較小的拉應(yīng)力，都在底部出現(xiàn)較大的變化。方案1最小主應(yīng)力為－0．62MPa，接近混凝土的抗拉強(qiáng)度，從曲線圖可以看出，隨著防滲墻彈性模量的降低，防滲墻的最小主應(yīng)力的拉應(yīng)力值逐漸減小，防滲墻有可能由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力(方案4)。

3防滲墻設(shè)置位置及型式選擇的研究與分析

防滲墻布置位置的合理性以及結(jié)構(gòu)型式會(huì)直接影響到整個(gè)工程的防滲效果、施工成本和施工進(jìn)度等方面。圍堰堰體中的防滲墻一般布置在堰軸線附近，對(duì)于采用塑性混凝土防滲墻上接復(fù)合土工膜的土石圍堰，防滲墻軸線一般布置在距上游堰腳1/2～1/3堰底寬度處。對(duì)于承受高水頭的土石圍堰，當(dāng)一道防滲墻不能滿足防滲要求可以考慮采用雙道防滲墻，例如三峽工程二期圍堰。本文借助該圍堰工程對(duì)深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻的放置位置及型式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，為今后深厚覆蓋層土石圍堰防滲體系的選擇提供參考。

3．1計(jì)算方案具體方案說明見表6，方案A即烏東德防滲體系與方案B對(duì)比能反映深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻的設(shè)置位置對(duì)其自身應(yīng)力、位移水平的影響;方案B與方案C對(duì)比能反映防滲墻的結(jié)構(gòu)型式對(duì)自身應(yīng)力、位移水平的影響。本工程各方案的計(jì)算斷面圖見圖1、圖4、圖5。各種方案均采用同一種工況即:圍堰上游水位蓄至874．0m，下游抽水至基坑底部(水位723．0m)，基坑開挖完成。采用非線性有限元法計(jì)算分析土石圍堰不同的防滲體系下塑性混凝土墻的應(yīng)力變形特性，本文對(duì)基巖采用的是線彈性模型;圍堰與防滲墻之間的接觸設(shè)置接觸單元，接觸面采用Goodman無厚度單元模擬;對(duì)圍堰堰體的填筑材料、防滲墻以及覆蓋層采均用鄧肯－張E－μ模型。方案A、方案B防滲墻深101m，厚1m;方案C上下游防滲墻深均為101m，厚1m，相隔距離6m。防滲墻墻底嵌入基巖均為0．5m，各方案的其他計(jì)算參數(shù)見表1至表3。

3．2防滲墻應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果及其分析比較3種不同方案防滲墻應(yīng)力、變形的最值見表7，分布圖如圖6和圖7所示。由圖6可知，在水荷載的作用下防滲墻的水平位移方向指向河流下游方向，方案A的水平位移最大，達(dá)到10．26cm，出現(xiàn)最大位移的高程在785m，方案B與C最大水平位移出現(xiàn)在墻頂，最大位移幾乎只有方案A的50%。考慮施工荷載與圍堰自重的影響，3種方案的豎向位移最大值都發(fā)生在防滲墻的墻頂處，且隨著高程上升，豎向位移逐漸變大，方案A的豎向位移最小，方案C的豎向位移次之，方案B的豎向位移最大，這與3種方案防滲墻放置的位置與型式相符。方案A與方案B相比說明防滲墻在一定范圍內(nèi)離堰軸線越遠(yuǎn)豎向位移越小;方案B與方案C相比說明在相同位置雙墻的豎向位移要小于單墻的豎向位移。由圖7可知，方案A的第一主應(yīng)力最大值為2．82MPa，第三主應(yīng)力的最大值為0．81MPa，最值發(fā)生在防滲墻的底部。與方案A相比，方案B與C的第一主應(yīng)力的最大值分別為3．84MPa和3．51MPa，第三主應(yīng)力最大值分別為1．58MPa和1．13MPa。相對(duì)方案B與C，方案A的應(yīng)力水平最小，防滲墻的安全裕度最大。由于塑性混凝土具有與土料相似的應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系和破壞形式［4］，所以圍堰體填筑料的變形與塑性混凝土防滲墻的應(yīng)力變形相一致。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可知，3種方案的應(yīng)力水平均具有一定的安全裕度。綜上所述，混凝土防滲墻的彈性模量越低，防滲墻與周圍堰體的變形越協(xié)調(diào)，墻體的應(yīng)力狀態(tài)越好;盡管剛性混凝土墻的混凝土標(biāo)高達(dá)幾十MPa，但剛性墻的變形不能與周圍土層的變形相協(xié)調(diào)［5］;因此，在滿足應(yīng)力狀態(tài)的條件下選擇彈性模量較低的塑性混凝土防滲墻，更有利于深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻的安全。防滲墻的位置對(duì)其位移影響主要表現(xiàn)在當(dāng)防滲墻越靠近圍堰堰腳時(shí)，其水平位移越大，豎向位移越小，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力也越小;反之，當(dāng)防滲墻越靠近堰軸線時(shí)，其水平位移越小，豎向位移越大，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力也越大。單防滲墻與雙防滲墻相比，雙防滲墻承受的應(yīng)力、位移變形均較小，具有更充足的安全裕度。

4結(jié)論

借用該工程本文從定量與定性2個(gè)方面，對(duì)深厚覆蓋層土石圍堰堰基防滲墻的材料、設(shè)置位置及結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行計(jì)算研究分析，得出如下結(jié)論:(1)對(duì)于圍堰這種臨時(shí)性構(gòu)筑物，從應(yīng)力變形角度分析，采用塑性混凝土防滲墻優(yōu)于剛性混凝土防滲墻，在強(qiáng)度安全前提下，前者與圍堰的變形更協(xié)調(diào)，更有利于圍堰的安全。(2)防滲墻的設(shè)置位置對(duì)其自身的應(yīng)力、位移變形影響較大。防滲墻設(shè)置離上游堰腳1/3堰底寬度的地方優(yōu)于將防滲墻設(shè)置在堰軸線的地方，前者豎向變形及應(yīng)力均小于后者。(3)當(dāng)一道防滲墻不能滿足設(shè)計(jì)要求，可以考慮采用雙防滲墻的結(jié)構(gòu)型式，這種結(jié)構(gòu)型式能大幅度提高圍堰的安全裕度。

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作者：張飛 盧曉春 陳博夫 陳波 單位：貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 夾巖設(shè)計(jì)處 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院