土石圍堰防滲墻結構設計范文

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摘要:

防滲墻良好的工作性態是深厚覆蓋層土石圍堰正常運行的重要保障，為弄清不同材料、不同設置位置、不同結構型式防滲墻在深厚覆蓋層條件下的工作性態，給在該種環境下防滲墻的結構設計提供參考，以某實際工程為研究背景，采用有限單元法，借助ABAQUS大型商用有限元計算軟件，對該工程防滲墻的各種方案進行結構計算，得出了不同方案條件下防滲墻的應力、位移變形等規律。根據計算得出的規律從定性與定量2個方面對該工程防滲墻的設計方案進行了優化選擇，研究表明:采用塑性混凝土防滲墻優于剛性混凝土防滲墻，前者與圍堰的變形更協調，更有利于圍堰的安全;防滲墻的設置位置對圍堰自身的應力、位移變形影響較大，防滲墻設置離上游堰腳1/3堰底寬度的地方優于將防滲墻設置在堰軸線的地方;當一道防滲墻不能滿足設計要求，可以考慮采用雙防滲墻的結構型式，這種結構型式能大幅度提高圍堰的安全裕度。

關鍵詞:

深厚覆蓋層;土石圍堰;防滲墻;結構設計;有限元計算

圍堰是水利工程中重要的臨時擋水建筑物，其自身安全關系到整個施工導流工程乃至主體工程的安全，并且涉及到下游的安全問題［1］。西部水電樞紐工程圍堰通常建設在河床的深厚覆蓋層上，在深厚覆蓋層上修建土石圍堰，防滲體系的安全性決定了圍堰體的整體安全。據國內外不完全統計，建于覆蓋層的建筑物尤其是水工建筑物，發生事故主要是由于基礎滲透破壞、沉陷太大或滑動等因素導致的［2］，因此有必要采用數值模擬計算分析深厚覆蓋層不同防滲體系下防滲體的工作性態。本文以某水電站上游土石圍堰為研究背景，對深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻的材料、放置位置及結構型式進行優化研究，為類似工程防滲體系的選擇提供參考。

1工程概況及計算模型

1．1工程概況某水電站上游土石圍堰堰頂高程為875．5m，頂寬10m，設計擋水位為874．3m。圍堰最大高度70m，河床覆蓋層平均厚度達75m，覆蓋層從下而上大致劃分為3層，依次為覆蓋層Ⅰ(砂卵石夾碎石塊)，該層一般厚4．44～13．84m，最厚16．44m;覆蓋層Ⅱ(砂卵石夾土，層中夾少量碎石)，該層一般厚11．23～36．80m，最薄處僅有2．25m，最厚處達58．01m;覆蓋層Ⅲ(砂卵石夾少量塊石)，該層一般厚23．81～35．89m，最薄11．15m，最厚處可達52．60m。高程833．3m以上的堰體為干地碾壓填筑而成，圍堰迎水面坡比1∶2．0，背水面坡比1∶1．75，高程833m以下的堰體為水下填筑，迎水面和背水面的坡比都為1∶1．5。該圍堰采用的是塑性混凝土防滲墻上接復合土工膜防滲斜體的防滲結構形式。

1．2計算模型及參數該土石圍堰工程計算模型如圖1。計算模型參數來自參考文獻原始資料，材料參數見表1至表3。

2防滲墻材料選擇的研究與分析

用該土石圍堰模型作為計算模型，對深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻材料進行優化研究。防滲墻材料一般有剛性混凝土與塑性混凝土2種，塑性混凝土是在剛性混凝土的基礎上而發展起來的，它是由砂子、水、水泥、膨潤土和黏土等組成。下面通過不同的計算方案對不同材料防滲墻進行計算分析，總結其應力變形規律，為深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻材料的選擇提供參考。

2．1計算方案為了便于對比分析，防滲墻的混凝土材料分別選用2種剛性混凝土和2種塑性混凝土。計算中各材料參數的取值見表4。防滲墻混凝土及覆蓋層地基采用線彈性本構模型，土石壩壩體材料采用鄧肯－張E－μ本構模型，參數見表1至表3。計算工況:圍堰上游水位蓄至874．0m，下游抽水至基坑底部(水位723．0m)，基坑開挖完成。

2．2結果分析方案1至方案4防滲墻應力位移的最值見表5。由于防滲墻的水平位移取決于墻后主體的支撐條件及墻頂的所受的荷載情況，且墻底部嵌入基巖中，不同材料防滲墻水平、豎向位移分布見圖2，從圖2(a)可以看出，各種方案中防滲墻的水平位移變化不大，方案3的水平位移值最大，但也才11．90cm。從圖2(b)可以看出各種方案防滲墻豎向位移最大值都發生在墻頂，根據圖2(b)曲線切線斜率可得出當防滲墻的彈性模量＜1000MPa時，豎直方向的最大位移隨著防滲墻材料彈性模量的增加而迅速降低，然而當彈性模量＞1000MPa時，豎直方向最大位移隨著防滲墻材料彈性模量的增加而緩慢降低。不同材料防滲墻第一、第三主應力分布見圖3，從圖3(a)可以看出，防滲墻的最大主應力隨著彈性模量的降低而降低，由方案1的6．13MPa降到方案4的2．52MPa;根據最大主應力曲線可得到，當防滲墻材料的彈性模量＜1000MPa時，最大主應力隨著彈性模量的降低而迅速減小，當防滲墻材料彈性模量＞1000MPa時，最大主應力變化比較緩慢。從圖3(b)可以看出各種方案防滲墻最小主應力均為較小的拉應力，都在底部出現較大的變化。方案1最小主應力為－0．62MPa，接近混凝土的抗拉強度，從曲線圖可以看出，隨著防滲墻彈性模量的降低，防滲墻的最小主應力的拉應力值逐漸減小，防滲墻有可能由拉應力變為壓應力(方案4)。

3防滲墻設置位置及型式選擇的研究與分析

防滲墻布置位置的合理性以及結構型式會直接影響到整個工程的防滲效果、施工成本和施工進度等方面。圍堰堰體中的防滲墻一般布置在堰軸線附近，對于采用塑性混凝土防滲墻上接復合土工膜的土石圍堰，防滲墻軸線一般布置在距上游堰腳1/2～1/3堰底寬度處。對于承受高水頭的土石圍堰，當一道防滲墻不能滿足防滲要求可以考慮采用雙道防滲墻，例如三峽工程二期圍堰。本文借助該圍堰工程對深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻的放置位置及型式進行結構設計研究，為今后深厚覆蓋層土石圍堰防滲體系的選擇提供參考。

3．1計算方案具體方案說明見表6，方案A即烏東德防滲體系與方案B對比能反映深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻的設置位置對其自身應力、位移水平的影響;方案B與方案C對比能反映防滲墻的結構型式對自身應力、位移水平的影響。本工程各方案的計算斷面圖見圖1、圖4、圖5。各種方案均采用同一種工況即:圍堰上游水位蓄至874．0m，下游抽水至基坑底部(水位723．0m)，基坑開挖完成。采用非線性有限元法計算分析土石圍堰不同的防滲體系下塑性混凝土墻的應力變形特性，本文對基巖采用的是線彈性模型;圍堰與防滲墻之間的接觸設置接觸單元，接觸面采用Goodman無厚度單元模擬;對圍堰堰體的填筑材料、防滲墻以及覆蓋層采均用鄧肯－張E－μ模型。方案A、方案B防滲墻深101m，厚1m;方案C上下游防滲墻深均為101m，厚1m，相隔距離6m。防滲墻墻底嵌入基巖均為0．5m，各方案的其他計算參數見表1至表3。

3．2防滲墻應力變形計算結果及其分析比較3種不同方案防滲墻應力、變形的最值見表7，分布圖如圖6和圖7所示。由圖6可知，在水荷載的作用下防滲墻的水平位移方向指向河流下游方向，方案A的水平位移最大，達到10．26cm，出現最大位移的高程在785m，方案B與C最大水平位移出現在墻頂，最大位移幾乎只有方案A的50%。考慮施工荷載與圍堰自重的影響，3種方案的豎向位移最大值都發生在防滲墻的墻頂處，且隨著高程上升，豎向位移逐漸變大，方案A的豎向位移最小，方案C的豎向位移次之，方案B的豎向位移最大，這與3種方案防滲墻放置的位置與型式相符。方案A與方案B相比說明防滲墻在一定范圍內離堰軸線越遠豎向位移越小;方案B與方案C相比說明在相同位置雙墻的豎向位移要小于單墻的豎向位移。由圖7可知，方案A的第一主應力最大值為2．82MPa，第三主應力的最大值為0．81MPa，最值發生在防滲墻的底部。與方案A相比，方案B與C的第一主應力的最大值分別為3．84MPa和3．51MPa，第三主應力最大值分別為1．58MPa和1．13MPa。相對方案B與C，方案A的應力水平最小，防滲墻的安全裕度最大。由于塑性混凝土具有與土料相似的應力應變的關系和破壞形式［4］，所以圍堰體填筑料的變形與塑性混凝土防滲墻的應力變形相一致。通過對計算結果的分析可知，3種方案的應力水平均具有一定的安全裕度。綜上所述，混凝土防滲墻的彈性模量越低，防滲墻與周圍堰體的變形越協調，墻體的應力狀態越好;盡管剛性混凝土墻的混凝土標高達幾十MPa，但剛性墻的變形不能與周圍土層的變形相協調［5］;因此，在滿足應力狀態的條件下選擇彈性模量較低的塑性混凝土防滲墻，更有利于深厚覆蓋層土石圍堰防滲墻的安全。防滲墻的位置對其位移影響主要表現在當防滲墻越靠近圍堰堰腳時，其水平位移越大，豎向位移越小，最大主應力與最小主應力也越小;反之，當防滲墻越靠近堰軸線時，其水平位移越小，豎向位移越大，最大主應力與最小主應力也越大。單防滲墻與雙防滲墻相比，雙防滲墻承受的應力、位移變形均較小，具有更充足的安全裕度。

4結論

借用該工程本文從定量與定性2個方面，對深厚覆蓋層土石圍堰堰基防滲墻的材料、設置位置及結構型式進行計算研究分析，得出如下結論:(1)對于圍堰這種臨時性構筑物，從應力變形角度分析，采用塑性混凝土防滲墻優于剛性混凝土防滲墻，在強度安全前提下，前者與圍堰的變形更協調，更有利于圍堰的安全。(2)防滲墻的設置位置對其自身的應力、位移變形影響較大。防滲墻設置離上游堰腳1/3堰底寬度的地方優于將防滲墻設置在堰軸線的地方，前者豎向變形及應力均小于后者。(3)當一道防滲墻不能滿足設計要求，可以考慮采用雙防滲墻的結構型式，這種結構型式能大幅度提高圍堰的安全裕度。

參考文獻:

［1］鄭守仁，王世華，夏仲平，等．導流截流及圍堰工程(下冊)［M］．北京:中國水利水電出版社，2005．

［2］毛昶熙，段祥寶，李祖貽．滲流數值計算與程序應用［M］．南京:河海大學出版社，1999．

［3］李峰，田斌，盧曉春，等．深水高土石圍堰塑性混凝土防滲墻應力應變分析［J］．中國農村水利水電，2012，(6):142－125．

［4］王清又，孫萬功，熊歡．塑性混凝土防滲墻［M］．北京:中國水利水電出版社，2008．

［5］蕭燕子．基于二次開發的土石壩數值仿真分析及防滲墻優化研究［D］．天津:天津大學，2010.

作者：張飛 盧曉春 陳博夫 陳波 單位：貴州省水利水電勘測設計研究院 夾巖設計處 三峽大學 水利與環境學院