水位升降作用下大坝防渗数值模拟研究

2023-08-29白生贵

河南水利与南水北调 2023年7期

白生贵

（吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司，新疆吐鲁番 838000）

1 引言

据调查，渗流相关的研究主要集中于大坝防渗稳定性方面。胡福洪等基于正交试验方法研究了塑性混凝土材料性能。结果表明，粉煤灰的掺入对混凝土的抗渗强度无积极影响，但可以降低混凝土防渗墙的成本。当膨润土掺量为20 kg/m3时，混凝土防渗墙的抗压强度达20.90 MPa，抗渗强度达到0.90 MPa。王春光基于数值模拟研究了塑性混凝土防渗墙弹性模量对防渗性能的影响。结果表明，适当增大水胶比和砂率以及减小水泥用量，同时增加膨润土的用量可以较好地控制防渗墙的塑性变形。刘钢等基于室内力学试验研究了复掺胶粉、硅粉、粉煤灰防渗墙塑性混凝土力学性能。结果表明，胶粉和粉煤灰对塑性混凝土的抗渗性起到负面作用，而硅粉对混凝土的抗渗性起到积极影响。

建立数值计算模型，研究水位波动下混凝土防渗墙内力及变形规律，可为大坝防渗墙的设计及加固工程提供参考。

2 工程概况与数值模型

坝体为典型土石坝加固工程，其中旧坝体与覆盖层采用塑性混凝土防渗墙处理。坝顶高程、坝高及坝顶宽分别为1 137、36.80 和6 m。防渗墙厚0.80 m，深度约60 m，由上到下分别出露岩层为覆盖层、强风化及弱风化基岩。坝体为黏性土，防渗墙布置在坝轴线上游1.80 m处，嵌固段深度约5.00 m。见图1。

图1 大坝典型剖面图

根据大坝典型剖面，建立数值计算模型。为了模拟防渗墙和岩土体的接触，在两者之间设置了Goodman接触单元。最终模型网格总数32 100个，节点单元33 258个。假定河水流向为X轴，与河水流向垂直为Y轴。数值模型网格划分均采用四边形单元。防渗墙及岩土体本构为邓肯-张模型。考虑灌浆帷幕与排水棱体接触面积较小，因此建模和计算中忽略了该部分。计算模型中材料参数见表1所示。

表1 材料物理力学参数汇总表

3 结果与分析

3.1 防渗墙变形规律

图2 为蓄水前后防渗墙的水平和竖向位移。防渗墙在蓄水前后产生的位移变化规律基本相同，水平位移表现出向下游倾斜的趋势。图2（a）表明，蓄水后的大坝水平位移大于蓄水前，且最大位移均出现在墙顶位置。蓄水前后防渗墙的水平位移均随高程的变化而增大，蓄水前墙顶最大位移110 mm，蓄水后220 mm。图2（b）结果表明，蓄水前后，防渗墙的竖向位移基本保持相同，且两者均随高程增大而增大，最大竖向位移260 mm。综合来看，蓄水对墙体垂直变形影响较小。

图2 塑性防渗墙变形

3.2 防渗墙内力分析

图3 为蓄水前后防渗墙在上游面和下游面的最大主应力分布规律。在蓄水前，上游面和下游面最大主应力的变化规律基本相同。其中，上游面和下游面最大主应力随高程的增大而先增大后减小。上游面墙底处最大主应力基本为0，墙顶处的最大主应力为1 150 kPa，下游面墙底处最大主应力基本为0，墙顶处的最大主应力为1 250 kPa。蓄水后上游面和下游面最大主应力随高程的变化无明显规律。上游面墙底处最大主应力基本800 kPa，而墙顶处最大主应力1 250 kPa，下游面墙底处最大主应力基本1 180 kPa，墙顶处最大主应力1 150 kPa。

图3 塑性防渗墙最大主应力分布图

分析蓄水前后防渗墙在上游面和下游面的最小主应力分布情况，在蓄水前上游面和下游面最小主应力的变化规律基本相同。上游面和下游面最小主应力随高程的增大基本保持不变。但在墙体和覆盖层接触的地方，由于应力集中导致主应力出现较大的增长。其中蓄水前上游面在交界面位置最小主应力值为400 kPa，而蓄水后下游面在交界面位置处的最小主应力值为650 kPa。出现这一现象的主要原因是蓄水后墙体在中下部上游面出现了较大水压力。在水压力的作用下，围压提高，导致最小主应力增大。

分析蓄水前后防渗墙在上游面和下游面竖向应力分布情况，在蓄水前上游面和下游面竖向应力变化规律基本相同。上游面和下游面竖向应力随高程增大而先增大后减小。上游面墙底处竖向应力1 200 kPa，墙顶处竖向应力1 150 kPa，下游面墙底处竖向应力1 100 kPa，墙顶处竖向应力1 200 kPa。蓄水后上游面和下游面竖向应力随高程变化无明显规律。上游面墙底处竖向应力1 150 kPa，墙顶处竖向应力1 100 kPa，下游面墙底处竖向应力920 kPa，墙顶处竖向应力1 260 kPa。

3.3 塑性混凝土模量变化对墙体的影响分析

表2 为不同模量下混凝土材料对防渗墙内力及变形的影响。由表可知，在弹性模量分别等于3×103Pa、5×103Pa和8.5×103Pa的工况下，随弹性模量增大，墙体变形逐渐减小，墙体最大主应力和最小主应力均有增大趋势。当弹性模量为8×103Pa 时，墙体下游出现拉应力，对防渗墙的稳定性产生不利影响。综合来看，当混凝土弹性模量增大时，模量对防渗墙的受力状态影响不明显，防渗墙的刚度随混凝土模量降低而减小；当混凝土模量增大时，由于防渗墙的刚度提高，防渗墙局部出现受拉区。对于防渗墙混凝土刚度的选取要综合考虑研究区工程地质条件以及坝体选型等多种因素。