基于Goodman单元的郑州龙子湖防渗墙安全性能分析

2015-02-25张营营袁坤鹏

黄河水利职业技术学院学报 2015年1期

关键词：龙子槽式壤土

张营营，袁坤鹏

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

基于Goodman单元的郑州龙子湖防渗墙安全性能分析

张营营，袁坤鹏

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

针对郑州龙子湖工程防渗设施，在防渗墙和土体之间设置Goodman单元，应用有限元程序对防渗墙进行非线性渗流分析，计算了不同工况下墙体的受力和渗流情况，结果显示：开槽式防渗墙墙体虽然很薄，但也能满足结构强度及防渗要求。

河南郑州；龙子湖工程；开槽式防渗墙；Goodman单元；渗流分力；强度分析

0 引言

利用开槽机建造地下连续防渗墙是坝体、堤防等水工建筑物的一种垂直防渗技术。目前，这种开槽式地下连续防渗墙已经在工程中得到广泛应用。笔者结合河南省郑州市龙子湖工程，在防渗墙和土体之间设置Goodman单元，应用有限元程序计算在不同水头作用下墙体所承受的荷载，分析墙体的应力和变形，从而探讨开槽式地下连续防渗墙的安全性，以期为开槽式地下连续防渗墙的建造提供理论基础。

1 郑州龙子湖工程概况

河南郑州龙子湖工程位于郑州市东部黄河冲积平原上，是郑东新区生态水系工程的一部分。该工程区地层主要为第四系上更新统冲积层和全新统冲积层［1］，自上而下分为：（1）沙壤土夹壤土层；（2）中沙层；（3）沙壤土、壤土层；（4）中粗沙层（局部夹沙壤土、壤土）；（5）中粗沙与沙壤土、壤土互相叠加层；（6）壤土、黏土层。其中，第二层和第四层为场区的强透水层，且第二层的中沙在局部湖底开挖面直接出露或接近湖底，势必出现湖水的渗透、渗漏现象。第一层沙壤土夹壤土层与湖水直接接触，其渗透特性决定了湖水渗透、渗漏现象的存在。

在龙子湖工程中，混凝土防渗墙设计最大深度为40m，平均深度为36m，设计最大墙厚0.4m，墙体混凝土强度等级为C20。本文取龙子湖工程区的一个典型剖面作为平面应变问题处理。有限元网格划分以四结点等参单元为主，坝体及坝基形态变化大的个别部位采用了少量的三结点单元。考虑摩擦单元时，添加了只有长度、没有厚度的四结点Goodman摩擦单元。

2 防渗墙体与堤基之间设置摩擦接触单元

在岩土工程结构中，当两种相邻材料的变形性能相差很大时，在一定的受力条件下，可能会在接触面上产生错动、滑移或开裂。在岩土工程有限元法中，为了模拟可能产生的错动、滑移或开裂，常在性质差别较大的相邻材料之间设接触面单元。其中，应用比较广泛的接触面单元是Goodman等学者提出的一种模拟接触面的力学模型—零厚度的Goodman单元［2］。一维接触面单元只有长度没有厚度，由两片长度为L的接触面ij和mn组成，如图1所示。结点i、j落在同一条长边上，单元结点编号顺序为逆时针方向。假想在两片接触面之间有无数对的微小弹簧相连接，每对弹簧含有1个法向弹簧n和1个切向弹簧s。当剪应力小于摩擦力时，属弹性阶段，两个弹簧都存在；当剪应力等于或大于摩擦力时，接触面之间产生摩擦滑移，弹簧s不再存在，仅弹簧n为两个接触面之间的联系。此时，接触面之间的剪应力仍保持为摩擦力fσn。受力前，两接触面完全吻合；受力后，两接触面有可能错动。接触面单元与相邻接的接触面单元或二维单元之间，只有通过结点才能有力的联系。

图1 防渗墙接触面单元模型图Fig.1 Contact surface unit model

3 防渗墙渗流计算

3.1 计算参数

本文的计算参数以《郑东新区龙子湖工程可行性研究阶段工程地质勘察报告》（黄河水利委员会勘测规划设计研究院编写）中提供的资料和龙子湖场区的现场抽水试验为主，并参考龙湖水系工程和北郊水源地工程勘察资料综合确定［3］。

该工程通过抽水试验确定的几种土壤的渗透系数如表1所示。混凝土的渗透系数为0.002×10-6。3.2 计算模型及结果

表1 不同土壤的渗透系数Table 1 Permeability parameters of different soil

选择一个典型断面作为计算断面，建立模型。防渗墙单元视为特殊的土体单元。由于龙子湖工程区的相对不隔水层位于地表以下39m，故在计算过程中，分别设置墙体为悬挂式和封闭式，即分别计算了墙深32m、36m、40m和墙厚0.2m、0.3m、0.4m这9种工况。

通过有限元渗流计算，得出不同墙深h和不同墙厚B的渗流逸出处的渗透坡降，如表2所示。

表2 计算不同条件下的渗透坡降Table 2 Permeability slopes of different calculation conditions

在渗流逸出处，基础为沙壤土。根据规范，沙壤土的允许渗流坡降［J］为0.4～0.5［4］。所以，当墙体深为40m时，0.2m、0.3m、0.4m墙厚都满足渗流要求。

4 防渗墙结构计算

4.1 计算参数

4.1.1 地基材料参数

本文采用邓肯-张（Duncan-Chang）双曲线模型计算地基各种土石料的应力应变关系。该模型共有8个试验参数，即K、n、F、G，破坏比Rf，黏聚力c，有效摩擦角φ，破坏泊松比μtf。各参数取值如表3所示。4.1.2 墙体材料参数

表3 地基材料变形计算参数Table 3 Calculation parameters of foundation material deformation

墙体按塑性混凝土材料进行计算。墙体的各参数值如表4所示。

4.2 计算模型及结果

选择一个典型断面进行建模和计算。本文对墙深32m、墙厚分别为0.2m、0.3m、0.4m这3种情况进行计算。

液压开槽机建造防渗墙的原理是，液压缸带动装在导向架内牵拉架上的锯一起做上下往复运动，在锯体自重及施加在其上前进方向的力的作用下，利用锯体上的刀切削土体。这种施工方法使得机械在开槽过程中对两侧的土体产生挤压作用。两侧土体被挤压后，变得密实，土体的弹模提高，被挤压土体的强度及抗渗性能增加。这使得两侧被挤压土体与防渗墙成为一个受力整体［5］。为了了解这种整体受力会对墙体的应力应变产生什么影响，本文分两种情况（不考虑两侧挤压土体和考虑两侧挤压土体）进行计算分析。

表4 防渗墙墙体材料变形计算参数Table 4 Calculation parameters of anti-permeability wall deformation

（1）不考虑两侧挤压土体。不考虑两侧挤压土体时，计算的不同墙厚的墙体的水平位移、垂直位移及墙体大、小主应力如表5所示。

表5 不计侧压时的墙体位移和应力计算值Table 5 Calculation results w ithout side pressure wall displacement and stress

（2）考虑两侧挤压土体。考虑两侧挤压土体时，计算的不同墙厚的墙体的水平位移、垂直位移及墙体大、小主应力如表6所示。

从表5和表6可以看出，当土体与墙体整体受力时，可以改善墙体的应力状态，使得墙体的应力分布更为合理。由此也从理论上验证了开槽式防渗墙虽然墙体厚度很薄，但也能满足结构强度及防渗要求。由于计算剖面上下游水位差很小，所以在考虑两侧挤压土体时，数值上没有很大的变化，但是其趋势还是很明显的。

5 结语

随着施工技术的不断进步，垂直防渗墙单位造价越来越低，致使它在提防工程防渗中的应用也越来越广泛。但是，不同条件下，垂直防渗墙的布设方案是不同的，如何确定防渗墙的深度及厚度是保证墙体的防渗效果及结构安全稳定的主要技术之一，也是工程设计的难点［6］。本文结合郑州龙子湖工程，对一典型剖面作了非线性有限元分析，并且在有限元计算中考虑了Goodman单元，得出了不同墙体深度及厚度下防渗墙的应力和变形结果，对比分析了影响防渗墙应力变形的因素，得到一些有益的结论。但是，有些问题还需要进一步研究和完善。