混凝土彈性模量對(duì)混凝土防滲墻應(yīng)力影響的數(shù)值分析

（遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局沈陽市110003）

混凝土彈性模量對(duì)混凝土防滲墻應(yīng)力影響的數(shù)值分析

羅東翔

（遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局沈陽市110003）

近年來混凝土防滲墻作為一種重要方案用于土石壩的防滲處理，而低彈模混凝土由于對(duì)不均勻應(yīng)力應(yīng)變的適應(yīng)能力更強(qiáng)，得到廣泛應(yīng)用。鑒于低彈模混凝土在類似除險(xiǎn)加固工程中的重要性，擬對(duì)不同彈性模量對(duì)防滲墻的影響作計(jì)算和分析，得出該工程實(shí)例彈性模量的合理取值，以期對(duì)類似除險(xiǎn)加固工程有一定借鑒作用。

Midas/GTS低彈?；炷练罎B墻數(shù)值模擬

1960年以來，對(duì)普通混凝土摻入一定黏土或膨脹土等材料的塑性混凝土（彈性模量小于1 000 MPa）在國際上出現(xiàn)，并開始應(yīng)用于土石壩壩體防滲處理。1980年以來，介于塑性混凝土和普通混凝土之間的低彈模混凝土開始應(yīng)用于我國江蘇和浙江省內(nèi)眾多的大壩防滲加固，但彈性模量一般在17 000 MPa左右。而在2000年之后，多數(shù)水庫的防滲處理均采用了更低的彈模數(shù)值，例如浙江省對(duì)河口水庫除險(xiǎn)加固采用混凝土彈模數(shù)值≤2 500 MPa、浙江省長(zhǎng)潭水庫除險(xiǎn)加固采用混凝土彈模數(shù)值≤1 250 MPa、浙江省通濟(jì)橋水庫除險(xiǎn)加固采用混凝土彈模數(shù)值≤3 000 MPa等。國內(nèi)部分水庫的低彈?；炷翉椥阅Ａ亢涂箟海ɡ?qiáng)度指標(biāo)見表1。

表1 國內(nèi)部分水庫低彈模防滲墻的彈模與抗壓（拉）強(qiáng)度指標(biāo)

本工程實(shí)例同為水庫除險(xiǎn)加固工程，壩體為粘土心墻壩，壩高38.5 m，防滲墻將施工于原壩體粘土心墻內(nèi)，且最大深度達(dá)41.80 m，如采用常規(guī)混凝土，墻體彈性模量較高，在水荷載的作用下將出現(xiàn)較大的變形及應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生的拉應(yīng)力有可能使墻體發(fā)生裂縫，進(jìn)而影響防滲效果，故采用低彈?；炷?。介于此，擬對(duì)特定條件下，不同彈性模量對(duì)防滲墻的影響作計(jì)算和分析，得出該工程實(shí)例彈模的合理取值，以期對(duì)類似除險(xiǎn)加固工程給予一定借鑒。

1 計(jì)算基本資料

水庫特征水位：死水位為93.00 m；正常蓄水位為122.50 m；校核洪水位（P=0.05%）為125.12 m；設(shè)計(jì)洪水位（P=2%）為124.33 m。計(jì)算所需的參數(shù)參照國內(nèi)外類似工程及類似材料的非線性應(yīng)力～應(yīng)變參數(shù)，并結(jié)合地質(zhì)鉆探資料選取大壩、壩基材料參數(shù)值（表2），壩體結(jié)果如圖1。

表2中材料編號(hào)為：1—壩基砂卵礫石；2—壩體心墻粘土；3—壩體砂礫石；4—浸水后壩基砂卵礫石；5—浸水后壩體心墻粘土；6—浸水后壩體砂礫石；7—混凝土防滲墻（E=1 000、1 500、2 000、3 000、5 000、8 000 MPa）。

表2 壩體材料參數(shù)表

圖1 壩體結(jié)構(gòu)斷面圖

2 SDAP程序計(jì)算

采用中國水利水電科學(xué)研究院提供的SDAP程序，計(jì)算模型采用E－υ模型，采用逐次增量的方法模擬材料的非線性特性。

計(jì)算時(shí)選取壩體最大斷面。計(jì)算工況選取正常蓄水位與校核洪水位情況。計(jì)算中考慮防滲墻底部與基巖之間設(shè)一層0.1 m厚的沉碴。防滲墻墻體材料采用低彈?；炷?，混凝土彈性模量分別取1 000 MPa、1500MPa、2000MPa、2500MPa、3000MPa、5000 MPa、8 000 MPa。防滲墻應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。

彈性模量取2 500 MPa時(shí)，防滲墻最大拉應(yīng)力分別為0.56 MPa和0.92 MPa，當(dāng)彈性模量取5 000 MPa時(shí)，防滲墻最大拉應(yīng)力分別1.37 MPa和2.01 MPa，最大拉應(yīng)力均位于83.70 m高程左右。不同彈性模量對(duì)應(yīng)最大壓（拉）應(yīng)力關(guān)系曲線見圖2。

表3 壩體應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算成果表MPa

圖2 彈性模量與最大壓（拉）應(yīng)力關(guān)系曲線

3 Midas/GTS軟件對(duì)比計(jì)算

利用Midas/GTS強(qiáng)大的幾何建模技術(shù)建立三維實(shí)體模型，模型采用整體建模，實(shí)體模型如圖3和圖4，離散后共有實(shí)體單元28 410個(gè)，定義材料屬性。計(jì)算中將上游面水頭作為定水頭邊界處理，下游水位為零，壩基按透水邊界處理，壩下游面為透水邊界。

圖3 不包含基巖的壩體三維實(shí)體模型

圖4 壩體三維有限元模型

計(jì)算模型仍選用“E-υ模型”，計(jì)算時(shí)選取壩體最大斷面。計(jì)算工況選取正常蓄水位與校核洪水位兩種工況。防滲墻墻體材料采用低彈模混凝土，為作對(duì)比，混凝土彈性模量仍然分別取1 000 MPa、1 500 MPa、2 000MPa、2500MPa、3000MPa、5000MPa、8000MPa。

一般混凝土（彈模取值30000 MPa）和低彈模混凝土（彈模取值1000 MPa）在校核洪水位下位移見圖5，防滲墻應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4和圖6。

圖5 校核洪水位下位移等值線圖

表4 Midas/GTS應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算成果表MPa

圖6 彈性模量與最大壓（拉）應(yīng)力關(guān)系曲線

4 結(jié)論

（1）防滲墻墻體材料采用低彈?；炷?，具有較低的彈性模量更能適應(yīng)不均勻受力及相應(yīng)的變形。

（2）通過正常蓄水位（122.50 m）和校核洪水位（125.12 m）計(jì)算結(jié)果對(duì)比可見，水位的增加對(duì)墻體的應(yīng)力有一定影響，水位升高會(huì)使墻體應(yīng)力變大。

（3）另外，隨著防滲墻彈性模量改變，防滲墻的應(yīng)力隨之變化。從本工程實(shí)例來看，彈性模量超過3 000 MPa以后，防滲墻的應(yīng)力變化較為顯著，建議彈性模量不超過3 000 MPa。

（4）本工程實(shí)例中的彈模取值是在特定的邊界條件下計(jì)算得出的相關(guān)建議，實(shí)際上防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變情況與壩高、溫度、水位、壩體材料等多種因素有關(guān)，故在類似低彈?；炷练罎B墻施工前，必須通過應(yīng)力計(jì)算得出彈性模量的臨界值以保證防滲墻的安全性。

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2016-12-09）

羅東翔（1982－），男，滿族，大學(xué)本科，工程師，主要從事水利水電工程管理，長(zhǎng)距離輸水等方面的技術(shù)性工作，通信地址：沈陽市和平區(qū)光榮街十四緯路，郵編110003，手機(jī)：15214216353，E－mail:7387333@qq.com。