塑性混凝土防滲墻在截滲壩中的應(yīng)用

張樹茂

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628)

塑性混凝土防滲墻是一種柔性工程材料，與傳統(tǒng)的剛性混凝土防滲材料相比，具有彈性模量低、適應(yīng)性強(qiáng)、耐久性高、抗?jié)B性能好等特性[1]，同時(shí)施工過程中減少了水泥用量，降低了工程成本、簡化了施工工藝。由于具有這些優(yōu)良特性，使得塑性混凝土在水利防滲工程中發(fā)揮了極為重要的作用[2-4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已經(jīng)有60座水利工程使用塑性混凝土防滲墻[5]，成墻面積達(dá)80萬m2，但塑性混凝土防滲墻在尾礦庫截滲壩中應(yīng)用較少，劉典忠[6]介紹了塑性混凝土在西藏甲瑪尾礦庫中的應(yīng)用，但基本只介紹了施工工藝，并未對(duì)后續(xù)運(yùn)行情況中應(yīng)力變形進(jìn)行分析，一旦墻體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，將會(huì)導(dǎo)致下游環(huán)境受到污染，嚴(yán)重影響人民的正常生活，后果不堪設(shè)想。本文采用有限元方法，研究了塑性混凝土防滲墻在靜動(dòng)力作用下的應(yīng)力特性以及變形特性，對(duì)其可靠性作出評(píng)價(jià)。

1 工程概況

位于9度地震區(qū)的某尾礦庫，庫區(qū)谷底為第四系泥石流堆積卵礫石含砂層。由于卵礫石層滲透系數(shù)大，尾礦庫投入運(yùn)行后可能發(fā)生跑混、繞壩滲流或基底滲透坡降過大等情況，在初期壩下游壩腳外邊線約200 m處設(shè)置截滲壩一座，壩下設(shè)塑性混凝土防滲墻，最大深度達(dá)85 m。

2 計(jì)算原理

土體材料靜力計(jì)算采用Duncan E-B模型[7]。

Duncan E-B非線性應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系可以表達(dá)成下列增量形式：

{Δσ}=[D]{Δε}

(1)

Duncan E-B非線性模型的基本參數(shù)為切線彈性模量Et和切線體積模量Bt，分別由下列兩式計(jì)算：

Et=Ei(1-Rf·Sl)2

(2)

Bt=KbPa(σ3/Pa)m

(3)

式(2)中的Et為初始切線模量，Sl為應(yīng)力水平，其計(jì)算表達(dá)式分別為:

Ei=KPa(σ3/Pa)n

(4)

(5)

(6)

對(duì)于卸載情況，用下列回彈模量代替切線彈性模量。

(7)

式(7)中：Eu r為試驗(yàn)確定的回彈模量系數(shù)。

土體材料動(dòng)力計(jì)算采用等效線性模型[8]。由于土體材料具有非線性特性，其動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖1所示。

動(dòng)剪切模量計(jì)算公式為：

(8)

圖1 土的動(dòng)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系Fig.1 The relation between dynamic stress and strain of soil

3 材料參數(shù)

3.1 靜力計(jì)算材料參數(shù)

靜力計(jì)算材料參數(shù)見表1。

3.2 動(dòng)力計(jì)算材料參數(shù)

動(dòng)力計(jì)算中防滲墻體材料參數(shù)見表2，截滲壩壩體材料參數(shù)及其動(dòng)剪切模量和阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變幅的關(guān)系曲線分別見表3和圖2。

表1 靜力計(jì)算參數(shù)

表2 防滲墻計(jì)算參數(shù)

表3 壩體材料計(jì)算參數(shù)

圖2 動(dòng)剪切模量和阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變的關(guān)系曲線Fig.2 The relation between dynamic shear modulus and damping ratio with shear strain

4 變形特性分析

靜動(dòng)力工況下防滲墻和墻體外圍土體的水平位移以及豎向位移沿高程分布圖見圖3和圖4。

圖3 靜力工況下防滲墻及墻外土體位移圖Fig.3 Displacement of cutoff wall and the surrounding soil under static condition

圖4 動(dòng)力工況下防滲墻及墻外土體位移圖Fig.4 Displacement of cutoff wall and the surrounding soil under dynamic condition

從圖中可以看出，靜力工況下，防滲墻水平位移以及豎向位移基本在0 cm左右，幾乎沒有發(fā)生變形，這是由于截滲壩距離尾礦壩較遠(yuǎn)，尾礦庫筑壩以及排放尾礦不會(huì)對(duì)截滲壩下的垂直防滲結(jié)構(gòu)造成影響。

動(dòng)力工況下，在卵礫石地基中，動(dòng)位移呈逐漸增大趨勢，這是由于卵礫石地基彈性模量相對(duì)較低，所以其變形稍微較大，最大水平動(dòng)位移為0.72 cm，最大豎向動(dòng)位移為0.3 cm。周圍土體的變形規(guī)律和防滲墻基本一致。

5 應(yīng)力特性分析

靜動(dòng)力工況下防滲墻沿高程應(yīng)力分布情況見圖5和圖6。

圖5 防滲墻靜應(yīng)力分布圖Fig.5 Static stress distribution of cutoff wall

圖6 防滲墻動(dòng)應(yīng)力分布圖Fig.6 Dynamic stress distribution of cutoff wall

從圖中可以看出，靜力工況下，由于截滲壩下垂直防滲結(jié)構(gòu)受到尾礦筑壩以及排放尾礦的影響較小，主要受其自重影響，大小主應(yīng)力分布基本呈線性趨勢，和其自重應(yīng)力分布基本一致，大主應(yīng)力最大值沒有超出其極限抗壓強(qiáng)度，同時(shí)也沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。

動(dòng)力工況下，防滲墻和墻外土體存在差值很小的錯(cuò)位變形但兩者變形協(xié)調(diào)，這是由于塑性混凝土防滲墻與墻外土體一樣具有動(dòng)力非線性，使得在地震作用下其動(dòng)模量隨著動(dòng)應(yīng)變降低而與周圍土體的模量較為接近，而且地震越強(qiáng)烈，兩者之間差距越小，所以其動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)很小。

6 結(jié)論

通過以上分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)塑性混凝土防滲墻墻體應(yīng)力狀態(tài)良好、分布均勻，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且剪應(yīng)力較小，不會(huì)發(fā)生拉剪破壞現(xiàn)象。

2)塑性混凝土防滲墻與周圍土體變形協(xié)調(diào)、抗震性能較好，尤其是在強(qiáng)震區(qū)優(yōu)勢更加明顯。

3)塑性混凝土防滲墻在尾礦庫防滲設(shè)計(jì)中應(yīng)值得推廣，同時(shí)本文的計(jì)算方法可以為后續(xù)相關(guān)的計(jì)算分析提供借鑒。