基于壩基覆蓋層厚度的塑性混凝土心墻應(yīng)力變形分析

肖福輝

(肇源縣水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，黑龍江 肇源 166500)

基于壩基覆蓋層厚度的塑性混凝土心墻應(yīng)力變形分析

肖福輝

(肇源縣水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，黑龍江 肇源 166500)

塑性混凝土因其自身特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外水利工程中得到廣泛應(yīng)用，其較小的滲透系數(shù)，良好的變形性能，突出的防滲性能等在壩工界越來(lái)越被重視。文章就覆蓋層厚度對(duì)塑性混凝土心墻應(yīng)力變形特性的敏感性分析，反應(yīng)了在一般條件下塑性混凝土心墻的應(yīng)力變形特性。

壩基；覆蓋層厚度；塑性混凝土；混凝土心墻；應(yīng)力變形

1 緒 論

塑性混凝土是在普通混凝土的各種應(yīng)用問(wèn)題基礎(chǔ)上提出并發(fā)展起來(lái)的新型防滲材料。和普通混凝土相比，不同之處在于基本組成結(jié)構(gòu)，前者的膠凝材料組成既有水泥和粘土等，通常還會(huì)摻加外加劑、粉煤灰來(lái)提升性能，同時(shí)得以減少材料用量[1]。在壩體混凝土防滲墻研究方面塑性性能明顯優(yōu)于普通混凝土，二者相比，主要優(yōu)勢(shì)在于較低的彈性模量，因變形模量類(lèi)似適應(yīng)土體變形良好，較大的極限應(yīng)變，滲透性差防滲性能突出，基本能夠滿(mǎn)足水利水電工程的防滲設(shè)計(jì)要求；施工過(guò)程中拌合物流動(dòng)性良好，材料不易離析、不堵管，方便泵送同時(shí)無(wú)需振搗，工程材料用量少，減少工程投資。

目前對(duì)于壩體塑性混凝土防滲墻的研究理論很成熟。塑性混凝土心墻作為大壩防滲體系的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)安全很大程度上保證整個(gè)大壩安全運(yùn)行。對(duì)塑性混凝土心墻進(jìn)行詳細(xì)全面的研究，系統(tǒng)分析塑性混凝土覆蓋層厚度的不同對(duì)塑性混凝土心墻應(yīng)力變形特性的影響顯得非常必要。

2 塑性混凝土應(yīng)變特性

根據(jù)受力特點(diǎn)，對(duì)塑性混凝土進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，分析壓力水平、齡期對(duì)塑性混凝土靜力學(xué)特性的影響[2]。

2.1 三軸壓縮試驗(yàn)條件下的破壞型式及設(shè)計(jì)強(qiáng)度準(zhǔn)則

(1)

對(duì)于塑性混凝土防滲墻，采用摩爾—庫(kù)侖強(qiáng)度理論，考慮測(cè)壓的作用可較大程度的提高抗剪強(qiáng)度，比較符合實(shí)際情況。尤其是在對(duì)中高土石壩塑性混凝土防滲墻中。

2.2 四周壓力對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度和極限應(yīng)變的影響

塑性混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線直觀上存在比例極限的極限點(diǎn)，在此點(diǎn)下方，應(yīng)力變形關(guān)系曲線類(lèi)似直線。四周壓力σ3的不斷增加，關(guān)系曲線趨于曲線階段變化，此時(shí)體積應(yīng)變?yōu)闇p縮，這是非線性材料的顯著特點(diǎn)。這種變化說(shuō)明塑性混凝土壩和壩基巖體的材料本構(gòu)關(guān)系相似。同時(shí)塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度隨壓力的變化逐漸增大，極限應(yīng)變變化規(guī)律同抗壓強(qiáng)度[3]。

2.3 四周壓力對(duì)塑性混凝土初始模量的影響

在土體中，初始模量Ei隨著四周壓力σ3的不斷增加而增加，指數(shù)函數(shù)關(guān)系式表達(dá)如下：

(2)

式中：K、n為試驗(yàn)常數(shù)，由常規(guī)三軸試驗(yàn)確定。

塑性混凝土的初始模量Ei與圍巖壓力沒(méi)有這種指數(shù)關(guān)系，正因這一材料力學(xué)特性，保證了其在土石壩防滲墻中的合理應(yīng)用。當(dāng)防滲墻不斷填筑時(shí)，土體的初始模量增大，但塑性混凝土防滲墻的變化幅度不大，致使荷載發(fā)生轉(zhuǎn)移，防滲墻的應(yīng)力得到改善。塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著時(shí)間關(guān)系的不斷增大，極限應(yīng)變不斷增加，有力的保障了其安全性。

2.4 齡期對(duì)塑性混凝土力學(xué)特性的影響

在不同齡期的無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)中分析得出，齡期與塑性混凝土的強(qiáng)度和初始模量呈線性變化關(guān)系。塑性混凝土隨齡期的增長(zhǎng)，其抗壓強(qiáng)度大大提高，而且其提高倍數(shù)與灰水比密切相關(guān)，幾近成反比關(guān)系。塑性混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和初始模量幾乎同步增長(zhǎng)。而混凝土的模強(qiáng)比與齡期變化呈反比關(guān)系，說(shuō)明塑性混凝土防滲墻齡期越長(zhǎng)，安全系數(shù)越高。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某水利樞紐工程位于遼寧省份境內(nèi)。該水庫(kù)以蓄水為主，兼具灌溉、發(fā)電的綜合效益。該工程等別為Ⅱ等大(2)型，水庫(kù)樞紐工程由攔河壩、溢洪道、泄洪洞和廠房等組成。壩體為塑性混凝土心墻壩，洪水按百年一遇設(shè)計(jì)，千年一遇校核。水庫(kù)正常蓄水位765.26m，設(shè)計(jì)洪水位765.68m，校核洪水位766.53m。壩頂高程772m，最大壩高65.0m，壩長(zhǎng)724.0m[4]。大壩標(biāo)準(zhǔn)橫剖面見(jiàn)圖1。

圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖

3.2 本構(gòu)模型物理參數(shù)

在分析計(jì)算中，壩體填筑料、覆蓋層等和塑性混凝土均采用非線性彈性的鄧肯-張E-B模型，材料參數(shù)通過(guò)常規(guī)三軸試驗(yàn)和相類(lèi)似的工程參考值綜合確定，塑性混凝土材料的非線性彈性模型參數(shù)直接選用相類(lèi)似的工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[5]。壩體土填筑、覆蓋層、塑性混凝土心墻的非線性彈性的模型參數(shù)見(jiàn)表1。塑性混凝土心墻與壩體及覆蓋層之間的接觸模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 壩體及壩基材料E-B模型參數(shù)

表2 Goodman單元模型參數(shù)

為了研究分析不同的覆蓋層厚度對(duì)塑性混凝土心墻的應(yīng)力變形性態(tài)的影響，假定壩高不變，通過(guò)增加覆蓋層厚度，制定以下3方案，方案一作為基本方案；覆蓋層厚度增加到20m作為方案七，約為壩高的1/3；將覆蓋層厚度增加到40m作為方案八，約為壩高的2/3。分別對(duì)3種不同覆蓋層厚度方案進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

3.3 計(jì)算結(jié)果

1)施工期計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2-圖6。

圖2 水平位移

圖3 垂直位移

圖4 大主應(yīng)力

2)蓄水期計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7-圖11。

圖5 小主應(yīng)力

圖6 水平位移

圖7 垂直位移

圖8 大主應(yīng)力

圖9 小主應(yīng)力

圖10 蓄水期心墻應(yīng)力水平

圖11 施工期心墻應(yīng)力水平

有限元計(jì)算成果匯總見(jiàn)表3。

表3 不同覆蓋層厚度的心墻應(yīng)力變形統(tǒng)計(jì)表

3種方案計(jì)算參數(shù)相同，僅覆蓋層厚度不同。由圖2和圖7可以看出，覆蓋層厚度和墻體的水平位移、垂直位移變化呈線性關(guān)系，隨著前者的增加逐漸增大，方案八中防滲心墻的位移變化值是最大的，因?yàn)橥饨绾奢d來(lái)自壩體自重及靜水壓力值最大，故變形值也是最大。所以，在深厚覆蓋層地基上修建塑性混凝土心墻壩時(shí)，對(duì)于心墻位置附近的覆蓋層要保證壓實(shí)率，增加對(duì)防滲墻的約束力。

3種方案下的大、小應(yīng)力和應(yīng)力水平變化規(guī)律基本相同，防滲心墻基本保持受壓狀態(tài)，應(yīng)力水平與高度成反比關(guān)系。在基巖部位墻體和覆蓋層接觸面多次產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。防滲心墻的大、小主應(yīng)力和覆蓋層厚度均呈正比關(guān)系，3種方案的主應(yīng)力最大值在方案八中產(chǎn)生，計(jì)算值分別為2.75MPa和1.32MPa，方案一中產(chǎn)生最小值，計(jì)算值為1.84MPa和0.84MPa，3種工況下的應(yīng)力水平變化規(guī)律相同。

通過(guò)對(duì)比分析得知，覆蓋層厚度對(duì)塑性混凝土心墻的應(yīng)力變形影響不是十分明顯，3種方案下墻體水平位移與垂直位移變化曲線都很相似，不同厚度的覆蓋層混凝土心墻位移最大值發(fā)生的部位與數(shù)值相差不大，隨著覆蓋層厚度的增加，心墻與壩體之間的應(yīng)變相互影響基本沒(méi)有變化，且墻體的受壓狀態(tài)也保持不變，僅表現(xiàn)在墻體的應(yīng)力變形有一定的變化，在今后的設(shè)計(jì)中應(yīng)予以關(guān)注。

4 總 結(jié)

本文在塑性混凝土有限元計(jì)算原理和應(yīng)力變形特征分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有塑性混凝土心墻壩工程實(shí)例，建立三維有限元模型，計(jì)算塑性混凝土心墻壩在不同工況下不同壩基覆蓋層厚度的心墻特性敏感些分析，通過(guò)不同方案的計(jì)算對(duì)比分析，認(rèn)為塑性混凝土壩的覆蓋層厚度設(shè)計(jì)應(yīng)在適宜范圍內(nèi)，保障工程安全的同時(shí)有利控制工程造價(jià)。

[1]王為標(biāo).土石壩瀝青防滲技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004，23(06)：70-74.

[2]董云英,呂祖弘.混凝土防滲墻幾種新型墻體材料的介紹[J].廣西水利水電,1993(01):56-61.

[3]劉志紅.淺談塑性混凝土防滲墻在水利水電工程中的應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2000(03):22-25.

[4]楊明林.塑性混凝土配合比及性能指標(biāo)試驗(yàn)研究[D].河南：鄭州大學(xué)，2010.

[5]費(fèi)康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010:1-4,126-134,343-392.

1007-7596(2017)06-0063-04

2017-06-22

肖福輝(1980- )，男，吉林農(nóng)安人，工程師。

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