瀝青混凝土心墻壩防滲墻材料配比優(yōu)化

張波

(陜西理工學(xué)院土木工程與建筑系,陜西漢中723001)

下坂地堆石壩位于新疆喀什地區(qū)塔什庫爾干河中下游峽谷段的塔什庫爾干縣下坂地鄉(xiāng)附近,是以生態(tài)補(bǔ)水和春季供水為主的一等大(Ⅱ)型工程。設(shè)計最大壩高81m,該壩最大特點是河床覆蓋層深度最大為147.95m,主要為冰磧層(含漂石、卵石等),并夾有砂層透鏡體及淤泥質(zhì)粘土層。冰磧層及漂石含卵石層屬中強(qiáng)透水性,砂層透鏡體分布于壩基內(nèi)兩側(cè),順河方向長360m,寬170m,埋藏深度達(dá)31.47m,最大厚度43.70m。

迄今為止,深覆蓋層壩基對大壩安全的影響及防滲問題的處理,國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料很少,且已有資料所涉及到的深覆蓋層均未超過壩體總高度的2/3,而下坂地堆石壩深覆蓋層壩基深度已約為壩體總高度的兩倍,對深覆蓋層壩基的防滲處理成為該壩設(shè)計的關(guān)鍵,故此,本文根據(jù)瀝青心墻垂直防滲方案,對該壩進(jìn)行了三維有限元應(yīng)力位移分析,并著重對深覆蓋層防滲墻的變形和應(yīng)力水平進(jìn)行了分析 ,考慮到實際施工過程中防滲墻的材料配比問題,本文在防滲墻9種不同材料配比下的應(yīng)力變形進(jìn)行了分析,給出了其應(yīng)力及變形的發(fā)展規(guī)律,優(yōu)化選擇了合適的墻體材料配比。

1 非線性本構(gòu)模型與計算方法

1.1 本構(gòu)模型

壩體由心墻的碎石粘性土、瀝青混凝土、壩殼的堆石料、過渡料、壩基的冰磧層、粉細(xì)砂、粘軟土、截滲墻混凝土、帷幕以及壩基壩肩的巖石等共10種材料。計算中必須對它們的靜力學(xué)特性參數(shù)正確確定,本文采用Duncan-Chang非線性模型進(jìn)行計算。該模型的基本參數(shù)為切線模量 Et和切線泊松比μt,即

表1 壩體材料的靜力特性計算參數(shù)Tab.1 Static characteristic calculating parameter of different materials

式中 Pa—大氣壓力;K、n、Rf、C、φ、G、F、D—Duncan-Chang模型八個非線性應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)(表1),可由三軸試驗來確定。

1.2 建模及單元劃分

為模擬壩體及壩基的真實工況,較精確地計算壩體應(yīng)力與變形,在建模中對壩基部分在河流上下游方向進(jìn)行了適當(dāng)延伸。模型的約束,在上下游端部為自由約束,左右側(cè)沿壩軸線約束,底部為全約束。在壩兩端和基巖之間增加了接觸單元,以模擬二者之間的接觸特性。同時,求解過程考慮了壩基的初始地應(yīng)力,較好地模擬了大壩施工過程中的應(yīng)力與變形情況。

計算中對壩的實體模型用四面體單元進(jìn)行有限元離散,單元總數(shù)為30 496,節(jié)點總數(shù)為6 706。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

1.3 接觸及初始地應(yīng)力的處理

在凝聚力C差別較大的兩種材料間設(shè)置了接觸單元,以模擬二者的接觸特性。由于壩基覆蓋層的厚度為壩體總高度的兩倍還要多,因而求解時由覆蓋層所引起的有關(guān)位移及應(yīng)力對壩體和壩基安全具有重大影響。在諸多因素中,覆蓋層因其早已完成固結(jié)沉降而引起的初始地應(yīng)力影響最大,如何對初始地應(yīng)力進(jìn)行處理是能否正確解決這類問題的關(guān)鍵。要在求解過程中包含初始地應(yīng)力,必須在沒有壩體的情況下計算出覆蓋層的應(yīng)力大小并將其作為初始地應(yīng)力,這里采用生死單元技術(shù),即在求解過程中先不考慮壩體單元,對地基部分進(jìn)行求解,將該結(jié)果作為初始地應(yīng)力并寫出初始地應(yīng)力文件,包含壩體單元并讀入初始地應(yīng)力文件進(jìn)行再次求解。為更好地模擬施工過程,將壩體部分分為多級加載進(jìn)行了求解。

2 材料級配對位移和應(yīng)力的影響

下坂地水庫大壩基礎(chǔ)混凝土防滲墻和帷幕深度達(dá)147.95m,墻體應(yīng)力比較復(fù)雜,墻體材料的彈性模量對墻體應(yīng)力和變位有顯著的影響,為配合防滲墻施工現(xiàn)場試驗中防滲墻混凝土配合比試驗,主要研究大壩施工填筑竣工期、水庫蓄水運行期防滲墻的應(yīng)力和變形隨模量的變化而變化的規(guī)律性(圖2—圖5),為防滲墻施工的現(xiàn)場試驗的設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

表2 防滲墻最大應(yīng)力、位移計算結(jié)果表Tab.2 Maximum stress and displacement of seepage prevention wall

由于防滲墻嵌入在基礎(chǔ)之中,各個方案的水平位移較小,豎向最大位移發(fā)生在防滲墻上部,防滲墻應(yīng)力水平均偏低;然而由計算結(jié)果顯示,由于壩基內(nèi)含有砂層,在防滲墻上與砂層結(jié)合部分偏上處,豎直正應(yīng)力6y最大。由計算結(jié)果表2和圖2可知,在竣工期防滲墻中的最大豎向應(yīng)力隨混凝土彈性模量的增加而增大,豎向最大應(yīng)力由彈性模量為267MPa所對應(yīng)的6.05MPa增大到彈性模量為30 000MPa所對應(yīng)的29.6MPa。從應(yīng)力隨彈性模量變化曲線可知,彈性模量小于5 000MPa時,豎向最大應(yīng)力隨模量的增加而增大很快,而當(dāng)彈性模量大于5 000MPa時,豎向最大應(yīng)力隨彈性模量的增大而緩慢增加。從豎向最大位移隨彈性模量變化曲線可知,彈性模量小于5 000MPa時,豎向最大位移隨模量的增加而降低很快,而當(dāng)彈性模量大于5 000MPa時,豎向最大位移隨彈性模量的增大而緩慢降低。與竣工期相比,由于水載荷作用,豎向位移有所減少。計算結(jié)果表2可知,在蓄水期防滲墻的最大豎向應(yīng)力與豎向最大位移隨彈性模量的變化有和竣工期同樣的規(guī)律性。防滲墻中的最大豎向應(yīng)力隨混凝土彈性模量的增加而增大,豎向最大應(yīng)力由彈性模量為267MPa所對應(yīng)的6.88MPa增大到彈性模量為30 000MPa所對應(yīng)的29.2MPa。蓄水期的豎向最大應(yīng)力相對竣工期相比,在彈性模量較大時,與竣工期相比有所減小,在彈性模量較小時,與竣工期相比有所增大。蓄水期的豎向最大位移相對竣工期相比有所降低,這是由于蓄水后土體的有效重量減小所引起的。

綜合考慮防滲墻應(yīng)力、變形等各種因素,防滲墻材料最佳配比時的彈性模量應(yīng)選4 000MPa左右。

3 結(jié)語

在深覆蓋層大壩的分析中,應(yīng)正確施加初始地應(yīng)力,處理防滲墻與壩基材料的接觸特性。本文根據(jù)試驗提供的9組參數(shù)分別對防滲墻進(jìn)行了計算,在綜合考慮防滲墻應(yīng)力、變形等各種因素,防滲墻材料最佳配比時的彈性模量應(yīng)選4 000MPa左右。為防滲墻墻體材料的選擇提供了理論依據(jù)。

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