【www.zhangdahai.com--其他范文】
施雯洋
(本溪市水利电力勘测设计有限责任公司，辽宁 本溪 117000)
近年来，在厚覆盖层上建造的黏土心墙堆石坝的数量逐渐增加。在这些大坝工程设计中，厚覆盖层的防渗处理对于保证大坝的安全运行非常重要。目前，我国广泛使用在覆盖层内建混凝土防渗墙的处理方法[1]。由于混凝土防渗墙建在黏土心墙下，在施工和蓄水过程中，承受上坝体较大的恒载和上下游水位的水头差。因此，防渗墙的应力-变形特性非常复杂。
研究防渗墙的方法通常包括离心模型试验、现场监测和数值分析方法，如可以通过离心模型试验和数值分析研究上游围堰防渗墙与周围土体的相互作用机制。许多学者[2-5]已经开展了许多数值分析，以研究覆盖层土壤和防渗墙的相互作用，以及防渗墙厚度、冲积层沉积特性、河谷边界和防渗墙施工顺序对防渗墙应力变形的影响。
本文对厚覆盖层上的黏土心墙堆石坝进行数值分析，并对影响防渗墙应力应变特性的因素进行综合研究，因素包括覆盖层的改善、防渗墙与其周围土壤之间界面接触的建模方法、防渗墙混凝土的模量以及防渗墙与黏土心墙之间的连接方式。
首先对黏土心堆石坝进行二维有限元分析。堆石坝的典型横截面见图1。
图1 堆石坝典型截面图
本研究开挖第1层和第2层，并对第3层进行改进。同时，在覆盖层内修建一道埋于基岩中的厚1.2m混凝土防渗墙，深度0.5 m。灌浆帷幕在防渗墙下方的基岩中进行。防渗墙通过廊道与大坝黏土心墙相连。
本研究使用大坝应力和渗流静态和动态分析软件[6]，该软件考虑了渗流和应力场之间的耦合。坝体和上覆基础的有限元网格由2 631个单元和2 523个节点组成，见图2。由图2可知，4列网格用于厚1.2 m的防渗墙，在防渗墙和周围土壤之间布置136个接触单元。若采用空心接头进行防渗墙与黏土心墙的连接，则图2右侧阴影区的模量设定为0。根据大坝施工和蓄水过程，分34步进行模拟。在模拟过程中，在黏土心墙上游面施加水压和水头。在计算开始时，覆盖层基础的位移设置为零。考虑覆盖层基础的初始地应力，本文采用不平衡力迭代法进行计算。
图2 防渗墙顶部有限元网格
邓肯-张(E-B)模型用于堆石材料。该本构模型的杨氏模量E和体积模量Bt表示为：
(1)
(2)
φ=φ0-Δφlg(σ3/pa)
(3)
在卸载和重新加载条件下，弹性模量E表示为：
(4)
其中：σ1和σ3分别为主应力和次应力；
pa为大气压力；
Rf为故障率；
K为模数；
Kb为体积模量；
n、m为指数；
Kur为卸载和重新加载条件下的模量；
φ为内摩擦角；
φ0为初始内摩擦角；
Δφ为内摩擦角增量；
c为内聚力，kPa。
实验室试验确定的参数见表1。表1中，ρ为密度，103kg/m3；
ks为渗透系数，cm/s。
表1 计算中的参数
3.1 大坝的应力与变形
由图3可知，大坝的最大沉降为170 cm，发生在覆盖层基础顶面附近的下游侧。本研究分析的大坝，由于上覆层压缩变形大，加上防渗墙的抬升力，黏土心墙与相邻堆石之间的拱形效应并不明显。因此，较厚覆盖层对降低拱形效应起到了重要作用。
图3 蓄水后的沉降和主应力等值线
3.2 覆盖层的改善对防渗墙应力应变的影响
由于覆盖层的变形模量远低于混凝土防渗墙的变形模量，大坝填筑和蓄水过程中会引起防渗墙与基础之间的不均匀沉降，改善地表附近的覆盖层可减少这种不均匀沉降。由表2可知，在改善覆盖层3之后，水平位移和沉降均显着减小。表3为覆盖层3有无改善对防渗墙主应力的影响。图4为大坝完工时覆盖层3有无改善下防渗墙主应力和次应力沿深度的分布。可以看出，在改善覆盖层3之后，防渗墙的压应力沿深度平均降低5～10MPa，次应力变化不大。因此，改善上覆土层可以有效减少防渗墙的压碎。
表2 覆盖层3在有无改善情况下防渗墙顶部位移的比较
表3 覆盖层3在有无改善情况下防渗墙主应力和次应力的比较
图4 覆盖层3在有无改善情况下防渗墙应力沿深度的分布情况
图5、图6分别为覆盖层3有无改善的情况下冲积层沉降及主应力的轮廓。从图5、图6可以看出，改善后的覆盖层中沉降显著减少，而改善的基础中主应力增加。因此，当基础得到改善时，由大坝填充和蓄水引起的应力在覆盖层中增加，而在防渗墙中减少，从而导致防渗墙与其周围的拱形效应的降低。因此，改善覆盖层是减少防渗墙变形和压应力的有效措施。
图5 覆盖层3有无改善情况下冲积层沉降的比较
图6 覆盖层3有无改善情况下冲积层主应力的轮廓
3.3 防渗墙和周围土壤之间的界面元素对防渗墙应力应变的影响
由于不同材料的变形模量差异较大，防渗墙及其周围土体的位移明显不一致。因此，模拟防渗墙与其周围土壤之间界面接触的方法非常重要。本文分别使用德曼单元、泥层单元[7]和无摩擦单元，对防渗墙应力应变进行数值模拟。3个不同界面单元模拟的防渗墙主应力见表4；
大坝完工时，3个不同界面单元模拟的防渗墙主应力分布见图7。
表4 采用不同界面单元模拟的防渗墙及周围土体的主应力和次应力
图7 不同界面单元计算的防渗墙与周围土体应力沿深度的分布
结果表明，使用无摩擦单元模拟的防渗墙主应力沿深度均匀分布，其值低于使用其他两个界面单元模拟的主应力。这是因为无摩擦单元忽略了防渗墙与其周围土壤之间的摩擦力，使用古德曼单元和泥层单元模拟的防渗墙主应力几乎相同，表明这两个界面单元都适用于模拟防渗墙与其周围土壤之间的界面接触。
3.4 防渗墙混凝土弹性模量对防渗墙应力应变的影响
本文研究3种不同的防渗墙混凝土弹性模量(10、22和35 GPa)对防渗墙应力-应变的影响。不同混凝土弹性模量下防渗墙顶部位移的比较见表5。
表5 不同混凝土弹性模量下防渗墙顶部位移的比较
可以看出，混凝土弹性模量的减小会增大防渗墙的沉降，而水平位移则变化较小。不同混凝土弹性模量下防渗墙的主应力变化见表6；
大坝完工时，不同混凝土弹性模量下防渗墙的主应力分布见图8。结果表明，防渗墙的主应力随混凝土弹性模量的增加而增加，而次应力受混凝土弹性模量的影响不大。具有低弹性模量的混凝土防渗墙主应力的降低主要归因于防渗墙与周围土壤之间相对沉降的降低。
表6 不同混凝土弹性模量下防渗墙的主应力和次应力
图8 大坝完工时不同弹性模量防渗墙的应力沿深度的分布
对于普通混凝土，其强度随弹性模量的增加而增加。在这种情况下，虽然使用弹性模量较低的混凝土会降低防渗墙的压应力，但如果压应力超过防渗墙的抗压强度，则可能会发生防渗墙的压碎。因此，选择低模量和高强度塑性混凝土，在防渗墙的施工中非常重要。
3.5 防渗墙和黏土心墙的连接方式对防渗墙的应力-应变的影响
正确选择防渗墙与黏土心墙的连接方式对于改善防渗墙的受力状态非常重要。在实践中，防渗墙和黏土心墙之间存在3种不同的连接方式：廊道连接、空心连接和插入式连接，它们会在防渗墙中产生不同的应力。见图9。
图9 不同连接方式下防渗墙应力沿深度的分布
由图9可以看出，3种连接方式均在防渗墙中产生了压应力，并且随着深度的增加而逐渐增加。当使用插入式连接时，在防渗墙中产生的主应力最低；
而当使用廊道连接时，产生的主应力最高。当使用插入式连接时，在防渗墙中产生的次应力最高；
而当使用其他两个连接方式时，产生的次应力几乎相同。因此，从防渗墙的应力分布来看，插入式连接是最适合防渗墙和黏土心墙之间的连接方式。
1)防渗墙与基础之间存在不均匀沉降，导致防渗墙与周围基础产生摩擦。随着坝基近表层覆盖层的改善，这种不均匀沉降和摩擦力得到有效降低，防渗墙沿深度方向的压应力降低约5～10 MPa。
2)防渗墙应力-应变的模拟应考虑防渗墙与其周围土体之间的摩擦力，以确保防渗墙内应力的准确性。同时，古德曼单元和泥层单元都适用于模拟界面接触。
3)随着混凝土弹性模量的降低，会减小防渗墙与其周围土体之间的不均匀沉降和防渗墙中的压应力。因此，如果混凝土的抗压强度足够大，则建议在施工过程中使用刚度接近基础刚度的低模量混凝土。
4)与廊道连接相比，插入式连接可以有效降低防渗墙沿深度的压应力；
而空心连接可以降低防渗墙上底侧附近的压应力。
