土壩混凝土防滲墻側(cè)壁負(fù)摩阻力分析

程素珍 杜 濱 劉莉莉

(山東省水利科學(xué)研究院,山東濟(jì)南 250013)

土壩混凝土防滲墻側(cè)壁負(fù)摩阻力分析

程素珍 杜 濱 劉莉莉

(山東省水利科學(xué)研究院,山東濟(jì)南 250013)

混凝土防滲墻是土壩防滲加固比較常用的方法，但由于墻體和兩側(cè)壩體的彈性模量、強(qiáng)度差異較大，在上覆荷載作用下墻體與土體之間產(chǎn)生不均勻沉降，使防滲墻側(cè)壁出現(xiàn)負(fù)摩阻力，其應(yīng)力甚至達(dá)到材料的極限抗拉強(qiáng)度，造成墻體出現(xiàn)裂縫，防滲效果降低。本文以崮山水庫(kù)為例，采用有限元法分析防滲墻的受力狀態(tài)，探討了模量比值k的變化對(duì)墻體負(fù)摩阻力的影響、相對(duì)沉降與負(fù)摩阻力的關(guān)系、中性點(diǎn)的位置等，為防滲墻的運(yùn)行管理提供理論支持。

防滲墻；負(fù)摩阻力；分析

防滲墻是修筑在土石壩和松散覆蓋層中起防滲作用的地下連續(xù)墻，因其防滲效果好、施工速度快、結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，成為山東省土石壩防滲處理的首選工程措施。但是防滲墻主要是以水泥為膠凝材料的混凝土構(gòu)筑物，即使采用黏土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的塑性混凝土澆筑防滲墻，其變形模量與壩體土也差異較大，壩體在自身沉降過(guò)程中，墻體變形小，壩體變形大，當(dāng)壩體土相對(duì)墻體產(chǎn)生向下的位移時(shí)，土體就會(huì)對(duì)墻體產(chǎn)生向下的摩阻力即負(fù)摩阻力[3]，當(dāng)負(fù)摩阻力大于墻體材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，防滲墻就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，裂縫的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重降低墻體的防滲性能，甚至產(chǎn)生流土、管涌等水力破壞現(xiàn)象[4-5]。隨墻體深度的增加，相對(duì)沉降會(huì)逐漸減小，負(fù)摩阻力逐漸消失，在墻體和其兩側(cè)的土體沉降相等處，摩阻力為零，該點(diǎn)即為中性點(diǎn)，中性點(diǎn)以上墻體受負(fù)摩阻力，以下受正摩阻力。因此，分析防滲墻中性點(diǎn)的位置、負(fù)摩阻力的大小、墻體材料的變形模量對(duì)墻體受力狀態(tài)的影響等對(duì)評(píng)價(jià)防滲墻的安全狀態(tài)至關(guān)重要。本文結(jié)合崮山水庫(kù)大壩安全鑒定，分析了防滲墻側(cè)壁摩阻力的變化，評(píng)價(jià)了墻體的工作狀態(tài)。

1 工程概況

崮山水庫(kù)位于威海市環(huán)翠區(qū)，樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞、電站等組成，工程規(guī)模為Ⅲ等，主要建筑物為3級(jí)。大壩系壤土心墻砂殼壩，壩頂長(zhǎng)385m，壩頂高程28.8m，最大壩高20.3m。是一座集防洪、供水、養(yǎng)殖、發(fā)電等綜合效益于一體的中型水庫(kù)。

壩體內(nèi)采用黏土心墻防滲，心墻頂高程28.10m，頂寬2m，上下游坡比為1∶0.4。心墻和壩基砂內(nèi)構(gòu)筑混凝土防滲墻，墻體位于壩軸線，墻長(zhǎng)150m，厚度0.6m，上部埋入黏土心墻內(nèi), 頂高程25.00m，壩基砂內(nèi)平均深度12.71m,底部嵌入基巖1.20m,墻體材料為C10素混凝土，設(shè)計(jì)軸心抗拉強(qiáng)度650kPa，設(shè)計(jì)軸心抗壓強(qiáng)度5MPa,彈性模量E28=400～1000MPa；滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s。

水庫(kù)建成后不久，壩體出現(xiàn)了較大沉降,最大沉降量達(dá)84.5cm，且壩頂出現(xiàn)裂縫。水庫(kù)經(jīng)多年運(yùn)行后，現(xiàn)狀沉降基本穩(wěn)定，但是防滲墻與墻兩側(cè)土體彈性模量差異較大，由于沉降差異，墻體側(cè)壁易出現(xiàn)負(fù)摩阻力，當(dāng)負(fù)摩阻力大于墻體抗拉強(qiáng)度時(shí)，可引起墻體裂縫。因此，采用有限單元法對(duì)防滲墻側(cè)壁負(fù)摩阻力進(jìn)行模擬計(jì)算，評(píng)價(jià)墻體的應(yīng)力狀態(tài)。

2 防滲墻應(yīng)力分析

防滲墻應(yīng)力計(jì)算采用DuncanEt-μt模型，它是一種非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型[6]，兩個(gè)基本變量為切線楊氏模量Et和切線體積變形模量Bt,Et、Bt表達(dá)式分別為:

式中K——模量參數(shù)；

n——無(wú)因次指數(shù)；

Pa——大氣壓力；

Rf——破壞比；

Kb——待定試驗(yàn)常數(shù)；

Bt——體積模量系數(shù)；

m——體積模量指數(shù)；

S——應(yīng)力水平。

由Et、Bt作為參數(shù)進(jìn)而求得土的泊松比μt為：

計(jì)算中限制Bt值在(1/3～17)Et的范圍內(nèi)，相當(dāng)于μt在0～0.49的范圍內(nèi)。

壩體主要由黏土心墻、壤土壩殼、砂殼、堆石壓重體和壩基砂組成，壩基基巖為片麻花崗巖，作為剛性材料考慮。壩體土計(jì)算參數(shù)均可采用常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)測(cè)定[6]，室內(nèi)試驗(yàn)成果建議值見(jiàn)表1。防滲墻的密度、彈性模量和泊松比分別為ρd=2.4g/cm3,E=600MPa,μ=0.17。

埋于壩體和壩基中的防滲墻受力情況比較復(fù)雜，不僅受到水壓力、土壓力、壩體自重的影響，還由于防滲墻及其兩側(cè)的彈性模量差異較大，沉降差異引起的不均一變形產(chǎn)生側(cè)壁正、負(fù)摩阻力，防滲墻底部支撐條件也是影響墻體受力的主要因素。對(duì)于已運(yùn)行多年的水庫(kù)，壩體變形主要是豎向變形，墻體與兩側(cè)壩體沉降差異產(chǎn)生的摩阻力引起的墻體豎向應(yīng)力為主要內(nèi)力，也是產(chǎn)生墻體裂縫的主要因素。

采用GEO-SIGMA/W程序進(jìn)行有限元分析，計(jì)算模型、材料分布及網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖1。防滲墻側(cè)壁摩阻力分布見(jiàn)圖2。

由圖2可知，在心墻內(nèi)部及壩基中上部的防滲墻內(nèi)豎向主應(yīng)力都為負(fù)值；隨著深度的增加防滲墻負(fù)摩阻力逐漸減小，在深度24m處摩阻力為零，墻體和兩側(cè)土體沉降相等，定義該點(diǎn)為中性點(diǎn)，中性點(diǎn)向下逐漸產(chǎn)生了正的摩阻力。經(jīng)計(jì)算墻體最大負(fù)摩阻力為1250kPa，接近墻體的極限抗拉強(qiáng)度值，因此，墻體內(nèi)存在產(chǎn)生裂縫的可能。

經(jīng)分析，防滲墻出現(xiàn)負(fù)摩阻力原因是：壩體和防滲墻的彈性模量差異較大，且墻體底部支撐條件較好，在外力作用下，墻體變形較小，而壩體材料為松散層，在自重下產(chǎn)生的固結(jié)沉降明顯，最大沉降量達(dá)84.5cm，使防滲墻兩側(cè)的壩體沉降大于防滲墻的沉降，從而引起對(duì)墻體側(cè)面的向下摩阻力，隨著深度的增加，壩體沉降量逐漸變小，而墻體在上覆壓力和負(fù)摩阻力的作用下沉降量逐漸增加，二者的相對(duì)沉降量逐漸減小，側(cè)壁負(fù)摩阻力也逐漸減小，當(dāng)相對(duì)沉降減小為零，即達(dá)到了中性點(diǎn)，側(cè)壁摩阻力為零；過(guò)中性點(diǎn)后，上部產(chǎn)生的負(fù)摩阻力使防滲墻的壓縮量繼續(xù)增加，當(dāng)大于兩側(cè)土層的變形量時(shí)，防滲墻的側(cè)壁會(huì)出現(xiàn)正的摩阻力，且隨著深度的增加正摩阻力在不斷加大，直到防滲墻底部，其正摩阻力達(dá)到了最大值。

由于墻體底部是入巖的封閉式防滲墻，墻基堅(jiān)硬，防滲墻沉降較小，而相對(duì)位移會(huì)維持較長(zhǎng)時(shí)間,負(fù)摩阻力會(huì)長(zhǎng)期作用于中性點(diǎn)以上墻體兩側(cè)。由于墻體是擋水構(gòu)筑物，上下游長(zhǎng)期存在水頭差，墻體在水溶蝕等外部因素作用下，強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，當(dāng)負(fù)摩阻力大于材料拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)造成墻體開(kāi)裂，因此，應(yīng)加強(qiáng)墻體的長(zhǎng)期觀測(cè)。

3 不同k值下的負(fù)摩阻力計(jì)算

防滲墻側(cè)壁產(chǎn)生負(fù)摩阻力的原因是墻體與兩側(cè)土體的剛度不同，在外力作用下壩體產(chǎn)生了相對(duì)墻體的沉降。為研究?jī)烧叩膭偠炔町悓?duì)負(fù)摩阻力的影響，選取兩種材料的不同模量比值k進(jìn)行計(jì)算分析，k值見(jiàn)表2，不同k值下的墻側(cè)壁最大負(fù)摩阻力變化和中心點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。

表2 計(jì)算方案

注E1為防滲墻的彈性模量，E2為壩基覆蓋層的模量，取E2=22kPa。

圖3 k值與負(fù)摩阻力和中性點(diǎn)關(guān)系曲線

從圖3可知，防滲墻—土體相對(duì)剛度大小對(duì)防滲墻最大側(cè)壁摩阻力有明顯的影響。隨著k增大，其側(cè)壁負(fù)摩阻力也不斷加大。側(cè)壁負(fù)摩阻力在k值較小時(shí)增長(zhǎng)較快，但隨著k值的繼續(xù)增加，其最大負(fù)摩阻力的增量逐漸減小。原因是隨著k值的加大，墻體的模量不斷增加，在外力不變的情況下自身沉降量減小，墻體與兩側(cè)松散層的相對(duì)沉降增大，當(dāng)相對(duì)位移增加到一定程度時(shí)，兩側(cè)土體產(chǎn)生屈服破壞，側(cè)壁摩阻力達(dá)到峰值，此后即使再加大k值，其負(fù)摩阻力也基本保持不變。因此，為降低側(cè)壁負(fù)摩阻力，在滿足墻體抗壓強(qiáng)度的情況下，盡量采用低彈模的塑性防滲墻。

4 k值對(duì)中性點(diǎn)的影響

防滲墻所受摩阻力為0的點(diǎn)為中性點(diǎn)，在墻體與兩側(cè)土體壓縮模量相等時(shí)，其變形協(xié)調(diào)，在豎向應(yīng)力作用下，不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，可以說(shuō)處處為中性點(diǎn)，但是兩種材料的強(qiáng)度總存在差異，就必然有中性點(diǎn)的存在。經(jīng)計(jì)算防滲墻中性點(diǎn)位置隨k值變化的情況見(jiàn)圖3。

中性點(diǎn)位置在-15～23m之間，也就是在防滲墻深度的1/2～1/3處，符合端承墻的受力規(guī)律。中性點(diǎn)隨著k值的增大而深度逐漸增加，在二者的剛度比較接近時(shí)，k值對(duì)中性點(diǎn)的位置影響較大，當(dāng)剛度差別較大時(shí)，中性點(diǎn)的位置基本不隨k值的變化而變化，對(duì)于崮山水庫(kù)防滲墻，當(dāng)k>24時(shí)，中性點(diǎn)的位置基本不變。原因是防滲墻的模量較小時(shí)，防滲墻的變形大，產(chǎn)生的相對(duì)位移小，隨著深度增加，負(fù)摩阻力的增加引起的防滲墻壓縮量不斷變大，使防滲墻與兩側(cè)土體間的不均勻沉降得到了彌補(bǔ)，從而中性點(diǎn)位置較高。隨著k值的加大，中性點(diǎn)下降的速度在變慢。中性點(diǎn)也就是墻體所受應(yīng)力最大的點(diǎn)，因此，在工程管理中，要重點(diǎn)加強(qiáng)防滲墻底端1/3～1/2之間的施工質(zhì)量，加強(qiáng)該處的觀測(cè)。在工程設(shè)計(jì)中，防滲墻應(yīng)力應(yīng)變及滲壓計(jì)觀測(cè)設(shè)施主要安裝在墻體端1/3～1/2之間，就是因?yàn)樵摬课皇芰ψ畲?，最容易出現(xiàn)破壞。

5 相對(duì)沉降對(duì)負(fù)摩阻力的影響分析

只要墻體與土體之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，就會(huì)產(chǎn)生摩阻力，當(dāng)產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)摩阻力基本不變。圖4為防滲墻的相對(duì)沉降量與負(fù)摩阻力的關(guān)系曲線。

圖4 防滲墻相對(duì)沉降與摩阻力的關(guān)系曲線

由圖4可知，當(dāng)相對(duì)沉降量小于1.5×10-5m時(shí)，負(fù)摩阻力與相對(duì)沉降量呈直線關(guān)系，說(shuō)明墻體與土體之間位移在屈服范圍內(nèi)，當(dāng)相對(duì)沉降量達(dá)到一定程度后，墻體兩側(cè)的土體產(chǎn)生屈服破壞，即使相對(duì)沉降值再增加，負(fù)摩阻力也不會(huì)再加大，因此，在工程中要避免屈服破壞的發(fā)生。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)崮山水庫(kù)防滲墻側(cè)壁負(fù)摩阻力和中性點(diǎn)位置隨k值的變化規(guī)律的分析，得出以下主要結(jié)論：

a.水庫(kù)經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，壩體固結(jié)沉降明顯，最大沉降量達(dá)84.5cm，造成墻體產(chǎn)生較大的負(fù)摩阻力，其值已接近材料的極限抗拉強(qiáng)度，應(yīng)加強(qiáng)墻體觀測(cè)。

b.防滲墻—土體相對(duì)剛度的大小，對(duì)防滲墻最大側(cè)壁負(fù)摩阻力有明顯影響。側(cè)壁負(fù)摩阻力在k值較小時(shí)增長(zhǎng)較快，但隨著k值繼續(xù)增加，其最大負(fù)摩阻力增量逐漸減小。因此，為降低側(cè)壁負(fù)摩阻力，在滿足墻體抗壓強(qiáng)度的情況下，盡量采用低模量的材料以適應(yīng)壩體變形，從而減小防滲墻的應(yīng)力。

c.防滲墻最大豎向應(yīng)力的位置基本在距防滲墻底端1/3～1/2處，因此，在工程中應(yīng)加強(qiáng)該部位的監(jiān)測(cè)，防止墻體出現(xiàn)破壞。

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Analysis on negative friction resistance of earth dam concrete cut-off wall sidewalls

CHENG Suzhen, DU Bin, LIU Lili

(ShandongWaterConservancyScientificResearchInstitute,Ji’nan250013,China)

Concrete cut-off wall is a more commonly used method in earth dam anti-seepage reinforcement. However, elastic modulus and strength differences of walls and dam bodies on both sides are greater. Uneven settlement is produced between the walls and soil under the effect of overlying load, thereby negative friction resistance is produced on the sidewalls of cut-off wall, and the stress even can reach ultimate tensile strength of the materials, thereby leading to cracks on the walls and low seepage control effect. In the paper, Gushan Reservoir is adopted as an example. Finite element method is adopted to analyze the stress state of cut-off wall. Influence of the change of modulus ratiokto the negative friction resistance of walls, relationship between relative subsidence and negative friction resistance, position of neutral point, etc. are discussed, and theory support is provided for operation and management of cut-off wall.

cut-off wall; negative friction resistance; analysis

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.10.019

TV543+.82

A

1673-8241(2015)10-0066-05