郑 慧 慧

(商丘师范学院建筑工程学院，河南 商丘 476000)

素混凝土衬砌破坏一直是灌区建筑物健康发展的难题，由于素混凝土衬砌断面厚度较大、造价较高、衬砌自身刚性与背后堤坡之间存在较大间隙，在外界荷载的作用下常常发生滑塌、断裂等形式的破坏，从而严重威胁到灌区工程的安全运行。随着科技的发展新材料、新工艺的不断出现，聚丙烯纤维混凝土以其卓越的性价比，丰富的原料来源，被广泛地应用。在普通混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维后，不仅可以提高混凝土的抗剪、抗冲等力学性能，且其耐久性也显著提高。

本文从灌区堤坝衬砌破坏的机理出发，针对聚丙烯纤维混凝土衬砌堤坝结构特性，在前人研究的基础上，利用通用有限元软件ADINA对相同边界条件下聚丙烯纤维混凝土与素混凝土衬砌堤坝的应力σ～应变ε关系进行了系统的研究，并进行对比分析，为以后工程的实际应用提供科学理论依据。

1 有限元模型建立

1.1 模型原型

本文以某灌区填方堤坝为例，渠道填方材料为粉质黏土，填方顶宽度5.0 m，渠道8.0 m，内、外堤坡坡比1∶2.0。素混凝土衬砌采用C25素混凝土结构；聚丙烯纤维混凝土采用15%聚丙烯纤维与C20素混凝土进行混合形成聚丙烯纤维混凝土复合材料，堤基为岩基。其中不同衬砌材料属性表以及模型原型如表1、表2和图1所示。

表1 聚丙烯纤维材料特性

表2 混凝土材料特性

图1 不同衬砌结构有限元模型(单位：m)

为了与实际工况更加相符，在堤身与堤体基础以及衬砌与堤身之间设置接触单元(2D-contact element)；堤坡外受水压力荷载作用，荷载大小为0.08 MPa，呈三角形分布，方向与外堤坡垂直，见图2。

图2 接触单元模型及荷载模型

1.2 土体本构模型选取

土体采用Mohr-coulomb弹塑性本构模型，假设土体某平面上剪应力达到某一特定值时，就进入屈服。其准则的方程形式一般为：

τn=f(c,φ,σn)

(1)

式中：c为土体黏聚力；Φ为土体内摩擦角；σn为屈服面上的正应力。

其中M-C条件为[6]：

τn=c+σntanφ

(2)

各堤身部位土体本构参数如表3所示。

表3 堤坝单元体本构参数表

2 数值模拟结果分析

2.1 普通混凝土衬砌与聚丙烯纤维混凝土衬砌水平向位移对比分析

图3和图4分别给出了堤体与衬砌体在相同荷载下，水平向变形的位移云图，从图3和图4可以看出，随着水深的增加，堤体的水平向位移呈现先增加后减小的趋势。图5为素混凝土衬砌与聚丙烯纤维混凝土衬砌数据对比分析，由于聚丙烯纤维混凝土自身具有一定的柔性，其水平向位移相对于普通混凝土衬砌有一定减小，但是由于聚丙烯纤维混凝土衬砌的弹性模量与素混凝土衬砌弹性模量相差不大，因此其水平向位移变形相差较小，素混凝土衬砌模型整体水平向最大位移ymax=-0.019 77 m，聚丙烯混凝土衬砌模型整体水平向最大位移ymax=-0.017 68 m，聚丙烯纤维混凝土衬砌相对于素混凝土衬砌来说，模型整体水平向位移减小0.002 09 m；而素混凝土衬砌体在荷载作用下水平向最大位移y>max=-0.013 8 m，聚丙烯纤维混凝土衬砌在荷载作用下下水平向最大位移y>max=-0.012 9 m，位移减小0.000 9 m，方向水平向右，由于堤身的限制作用，最大水平位移并没有发生在衬砌表面而是发生在堤体内，这与实际相符。

图3 不同衬砌模型整体水平向变形云图

图4 不同衬砌体水平向变形云图

图5 不同衬砌方式水平向变形数据对比分析 注：WPZ为普通混凝土衬砌模型整体；WXZ为聚丙烯纤维混凝土衬砌模型整体；CP为普通混凝土衬砌；XP为聚丙烯纤维混凝土衬砌，下图同。

图6 不同衬砌模型整体竖直向变形云图

2.2 普通混凝土衬砌与聚丙烯纤维混凝土衬砌竖直向位移对比分析

图6和图7分别为堤体与衬砌体在相同荷载下，竖直向变形的位移云图，从图6和图7可以看出，随着水深的增加，两种衬砌形式下，其竖向位移分布趋势相同。图8为素混凝土衬砌与聚丙烯纤维混凝土衬砌竖向数据对比分析，同样可以看出由于两种衬砌方式下，由于弹性模量相差不大，其竖直向位移差距不大，素混凝土衬砌竖向最大位移zmax=-0.054 4 m，聚丙烯混凝土zmax=-0.048 65，仅仅相差0.005 75 m，竖直向位移减小较小，但是其模型最大位移与衬砌最大位移发生在同一位置，充分证明了再水荷载的作用下，同一种衬砌形式下模型整体与衬砌体最大位移位置与大小相同，均发生在距离衬砌底部1/3处，这与实际是相符合的。

图7 不同衬砌体竖直向变形云图

图8 不同衬砌体竖直向变形数据对比分析

2.3 普通混凝土衬砌与聚丙烯纤维混凝土衬砌有效应力对比分析

图9和图10分别为堤体与衬砌体在相同荷载下，不同衬砌体有效应力变形云图，从图9和图10可以看出，位移最大处亦是其有效应力最大处，有效应力呈现先增大，后减小的趋势，其中最大位置均发生在距离衬砌顶部、底部1/3处，这与实际是相符合的。图11为素混凝土衬砌与聚丙烯纤维混凝土衬砌有效应力对比分析，由于混凝土内掺入聚丙烯纤维后有效地改善了混凝土的力学性能，在混凝土内部构成了一种均匀乱向的支撑体系。可以抑制混凝土的开裂过程，故聚丙烯纤维混凝土的力学性质显著提高，从数据中可以看出普通混凝土的有效应力σe=23.12 Pa，而加入聚丙烯纤维后其有效应力σe=11.31 Pa，聚丙烯纤维混凝土相比普通混凝土有效应力减少了48.92%，效果显著。

图9 不同衬砌模型整体有效应力云图

图10 不同衬砌体有效应力变形云图

图11 不同衬砌体有效应力数据对比分析

2.4 普通混凝土衬砌与聚丙烯纤维混凝土衬砌抗剪切性能对比分析

图12和图13分别为堤体与衬砌体在相同荷载下，不同衬砌剪应力变形云图，从图12和图13可以看出，两种衬砌形式下，其剪应力曲线形状基本相同，与有效应力趋势变化相同，均呈现出先增加，后减小的趋势。图14为素混凝土衬砌与聚丙烯纤维混凝土衬砌剪应力对比分析，由于纤维与水泥基料极强的结合力，纤维迅速与混凝土均匀混合，形成一种三维不定向的支撑体系，当纤维混凝土承受外部剪切作用时，聚丙烯纤维混凝土内部分部的纤维起到吸收能量和加强筋的作用，故聚丙烯纤维混凝土的抗剪切力学性能显著提高，从数据中可以看普通混凝土的剪切应力σs=12.60 Pa，而加入聚丙烯纤维后其剪切应力σs=6.174 Pa。

图12 不同衬砌模型整体剪应力云图

图13 不同衬砌体剪应力云图

图14 不同衬砌剪应力数据对比分析

2.5 经济效益对比分析

对于相同体积的素混凝土衬砌堤坝与聚丙烯纤维混凝土衬砌堤坝建造成本而言，由于掺入了单位体积价格比素混凝土材料价格因而可以适当的建设素混凝土衬砌的量。若假定普通素混凝土衬砌每平方米的造价为A,则同样厚度的聚丙烯纤维混凝土衬砌造价A1为：

A1=A+V1D

(3)

式中：V1为聚丙烯纤维的掺入量；D为聚丙烯纤维的单价，元。

由于聚丙烯纤维本身优越的力学性能，其施工在衬砌应用中施工工艺并没有改变，只是增加了纤维的成本。根据市场调查，每1 000 kg的聚丙烯纤维的价格为8～10 万元，按照0.6 kg/m3的掺量，衬砌厚度按照20 cm计算，每平方米造价为12.0元。但是其耐久性提高及素混凝土的基体强度可适当降低，从而大大减少了其造价以及工程后期的维护费用，是一种简单可行的灌区堤坝衬砌方法。

3 结 语

本文对普通混凝土与聚丙烯纤维混凝土衬砌灌区堤坝在相同荷载作用下，应力与应变特性进行了数值模拟分析，通过数值模拟结果可以得到以下结论。

(1)与普通混凝土相比，聚丙烯纤维混凝土的抗剪和抗压性能显著提高，这是因为聚丙烯纤维加入混凝土后，纤维与水泥基料均匀混合在其之间形成极强的结合力，形成是三维不定向支撑，从而有效地吸收了外部能量起到了加强筋的作用。

(2)由于聚丙烯纤维的优越特性，施工操作简单，其不仅降低了工程造价，而且提高了整体工程耐久性，降低了从此后期维护费用，在灌区工程中存在较大的应用前景。