土石壩加高對(duì)既有低彈模防滲墻應(yīng)力及變形影響分析

郎 敏，陳向明，李 佳，鄧成發(fā)，謝中凱

（1.武義縣水務(wù)局，浙江 武義 321200；2.武義縣宣平溪水電工程管理處，浙江 武義 321200；3.萬邦工程管理咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；4.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；5.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017）

低彈性模量防滲墻由于具有較好的防滲性能和較強(qiáng)的變形協(xié)調(diào)性，常用于土石壩防滲加固[1-4]，特別是中高壩應(yīng)用較為廣泛，取得較好的加固效果?，F(xiàn)階段由于優(yōu)秀壩址稀少，同時(shí)新建水庫投資巨大且時(shí)間漫長，常需要十幾年甚至幾十年時(shí)間，利用現(xiàn)有大壩進(jìn)行加高不失為一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。針對(duì)土石壩加高，國內(nèi)眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[5-8]，但均未涉及既有防滲墻土石壩的加高工程案例。本文針對(duì)典型工程，研究既有防滲墻土石壩加高過程中，防滲墻彈性模量對(duì)防滲墻變形及應(yīng)力的影響，為類似工程提供借鑒和參考。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

某水庫為黏土心墻土石壩，最大壩高30 m，上游坡度1：2.00，下游坡度1：1.75，大壩中部混凝土防滲墻厚0.8 m，心墻上、下游坡比為1：0.25，防滲墻入巖深度0.5 m。大壩加高5 m，加高部分采用鋼筋混凝土面板與趾板共同作用形成防滲體，河床段趾板直接設(shè)于原攔河壩壩頂之上，與原壩體混凝土防滲墻連接。大壩典型斷面見圖1。

圖1 大壩加高斷面示意圖 單位：m

1.2 計(jì)算參數(shù)

壩體采用鄧肯-張E-B 模型（見表1），防滲墻為低彈模防滲墻，采用線彈性模型，彈性模量為分別取2、4、6、8、10 GPa，泊松比為0.2。防滲墻與黏土心墻之間設(shè)置Coulomb 摩擦，摩擦系數(shù)取0.4，防滲墻與基巖之間為固結(jié)灌漿。

表1 大壩填筑材料模型參數(shù)表

1.3 加載過程

考慮到壩體施工分層填筑的特點(diǎn)和堆石的非線性特性，荷載采用逐級(jí)施加的方式，壩體施工填筑高程每級(jí)加載2 m。施工完成后分級(jí)蓄水至正常蓄水位180 m。

2 計(jì)算結(jié)果分析

施工填筑完成后，大壩垂直位移、水平位移分布見圖2～3。大壩最大沉降量為12.57 cm，出現(xiàn)在新堆石料內(nèi)2/3 壩高附近；最大向上游水平位移為1.32 cm，出現(xiàn)在老壩體中部的防滲墻下游側(cè)；最大向下游水平位移為4.65 cm，出現(xiàn)在新堆石料內(nèi)1/3 壩高附近。監(jiān)測(cè)新填筑體的內(nèi)部水平位移、垂直位移和防滲墻水平位移時(shí)，監(jiān)測(cè)設(shè)施應(yīng)根據(jù)計(jì)算最大值的位置進(jìn)行布設(shè)。

圖2 填筑完成后大壩加高垂直位移云圖 單位：m

圖3 填筑完成后大壩加高水平位移云圖 單位：m

填筑完成及蓄水后防滲墻最大、最小主應(yīng)力及位移分布見圖4～13。由圖4～13 可見：

圖4 填筑完成后防滲墻上游側(cè)最大主應(yīng)力圖

（1）填筑完成后，防滲墻上游側(cè)中上部及墻身與基巖交界處表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，且隨著墻身彈性模量的增加，最大主拉應(yīng)力逐漸增大；最小主應(yīng)力自墻頂至墻底逐漸增大，且隨著墻身彈性模量的增加，墻底壓應(yīng)力逐漸增大。最大主拉應(yīng)力計(jì)算值小于低彈模防滲墻允許抗拉強(qiáng)度0.8 MPa，最小主壓應(yīng)力計(jì)算值小于抗壓強(qiáng)度允許值8.4 MPa。蓄水后，防滲墻上游側(cè)最大主拉應(yīng)力明顯減小，僅在彈性模量較大時(shí)，中上部略呈受拉狀態(tài)；最小主壓應(yīng)力有所減小，壓應(yīng)力極值出現(xiàn)在墻身與基巖交界處。

（2）填筑完成后，防滲墻下游側(cè)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力隨墻身彈性模量的增加而增大，當(dāng)防滲墻彈性模量小于等于6 GPa 時(shí)，最大主拉應(yīng)力極值出現(xiàn)在墻頂以下約6 m 深處；當(dāng)防滲墻彈性模量大于等于8 GPa 時(shí)，最大主拉應(yīng)力極值出現(xiàn)在墻身與基巖交界處。最小主壓應(yīng)力極值基本出現(xiàn)在墻頂以下約26 m 深的位置。最大主拉應(yīng)力值和最小主壓應(yīng)力值均小于允許抗拉和抗壓強(qiáng)度值。蓄水后，防滲墻下游側(cè)拉應(yīng)力明顯減小，墻身中下部均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，僅在彈性模量較大時(shí)，墻身中上部有較小的壓應(yīng)力；最小主壓應(yīng)力有所增大，極值點(diǎn)出現(xiàn)在墻身與基巖交界處，但仍小于允許抗壓強(qiáng)度。

（3）填筑完成后，防滲墻整體表現(xiàn)為向上游位移，墻身中部位移最大，約為12.0 mm，墻頂向下游位移最大約6.7 mm。蓄水后，墻身整體向下游位移，撓度明顯減小，墻頂向下游位移明顯增大，最大約為18.7 mm?？傮w上，防滲墻彈性模量對(duì)水平位移影響不大。

圖5 填筑完成后防滲墻上游側(cè)最小主應(yīng)力圖

圖6 蓄水后防滲墻上游側(cè)最大主應(yīng)力圖

圖7 蓄水后防滲墻上游側(cè)最小主應(yīng)力圖

圖8 填筑完成后防滲墻下游側(cè)最大主應(yīng)力圖

圖9 填筑完成后防滲墻下游側(cè)最小主應(yīng)力圖

圖10 蓄水后防滲墻下游側(cè)最大主應(yīng)力圖

圖12 填筑完成后防滲墻水平位移圖

圖13 蓄水成后防滲墻水平位移圖

3 結(jié)論

本文針對(duì)低彈性模量防滲墻土石壩加高進(jìn)行數(shù)值分析，得到結(jié)論如下：

（1）大壩最大沉降量出現(xiàn)在新堆石料內(nèi)2/3壩高附近；最大向上游水平位移出現(xiàn)在防滲墻下游側(cè)，最大向下游水平位移出現(xiàn)在新堆石料內(nèi)1/3 壩高附近。應(yīng)結(jié)合計(jì)算的極值位置布設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)施。

（2）隨著混凝土防滲墻彈性模量的增加，防滲墻上、下游側(cè)最大及最小主應(yīng)力均逐漸增大。蓄水可減小防滲墻上、下游側(cè)的拉應(yīng)力，防滲墻下游側(cè)壓應(yīng)力有所增大。

（3）防滲墻彈性模量對(duì)防滲墻水平位移影響不大。水庫蓄水可抵消由于大壩加高堆載引起的防滲墻向上游的水平位移。