基于ABAQUS数值的混凝土防渗墙内力及变形敏感性分析

摘    要：为研究混凝土防渗墙内力及变形影响因素，文章建立数值计算模型，系统的分析了混凝土刚度及防渗墙厚度对墙内力及变形的影响，结果表明：防渗墙的最大主应力和最小主应力均随墙的高程增大而增大，混凝土弹性模量对墙的变形影响非常小。在不同弹性模量的混凝土工况下，最大水平位移出现在墙顶；防渗墙小主应力和和大主应力随高程的增大而减小。为保证防渗墙及大坝有较好防渗性能，应结合试验确定防渗材料参数。

关键词：混凝土防渗墙;内力变形;影响因素;数值模拟;

防渗墙时大坝安全运营的关键因素。其中，混凝土防渗墙由于施工简单和防渗性好的优点本广泛应用于土石坝及堆石坝工程中。针对混凝土防渗墙的内力及变形影响因素是国内外目前研究的热点与难点。蒋凯乐等[1]基于原位试验及数值模拟系统的研究了塑性混凝土防渗墙土反力系数的计算方法。结果表明，提出的计算方法可以有准确的反演塑性混凝土防渗墙土压力系数，并在时间工程中得到验证。梁岩等[2]基于三维有限元系统的研究了深槽地基土加固方法对防渗墙的影响。结果表明，加固砂卵石层地基可显著降低防渗墙的变形、内力及应力，显著提高防渗墙的安全性。侯毅等[3]基于三维有限元研究了花坪河面板堆石坝应力变形影响因素。结果表明，大坝主要受压应力作用，且最大压应力明显小于混凝土的极限抗压强度。此外，面板中部主要为受压状态，而在两岸岸坡为受拉状态，面板发生张拉变形的垂直缝主要集中在两岸。孙明权和常跃[4]采用结构力学理论系统的研究了影响混凝土防渗墙内力及变形的因素。结果表明，墙端约束形式、基岩强度及坝体材料均会对混凝土防渗墙墙体位移和应力产生影响，其中材料参数是影响防渗墙变形的主要原因。谢江松等[5]基于数值分析算法，系统的研究石坝防渗墙内力与变形特性。结果表明，在蓄水工况下，防渗墙上、下游侧水平应力均为压应力，且随深度增加而增加。此外，基于数值计算结果可对防渗墙进行配筋验算。

考虑到目前在进行土石坝相关分析中，大多数的研究仅针对单一刚度的防渗墙进行研究，本文在前人的基础上，本文建立数值计算模型，系统的研究防渗墙变形影响因素。本文的研究可为防渗墙的设计及优化提供工程参考。

1 工程概况与数值模型

1.1 数值模型

本文研究的土石坝为典型的III型水利工程。最大坝高+60m, 顶宽10m, 底部最大宽度为250m。根据钻孔资料揭示，大坝岩土体由上到下分别为砂卵石层，砂砾石层和弱风化基岩层，基岩最要是流纹至斑岩层。两侧坡比按照阶梯式而不同。由于大坝运营时间比较长，根据现场调查发现，坝体局部出现裂缝，下由坡脚位置出现管涌破坏。为例保证大坝的安全运营，需对大坝进行加固处理。加固方法主要为采用塑性混凝土防渗墙，墙体厚度为0.8m。墙体轴线与大坝轴线重合。防身器嵌入基岩深度为1.0m, 防渗墙混凝土弹性模量为5GPa, 本文的分析就是针对加固后的防渗墙进行计算分析。典型断面如图1所示。

为了研究防渗墙力学性能差异。采用ABAQUS,根据坝体典型剖面建立数值计算模型。其中顺河流方向设为x轴，高度方向为z轴。覆盖层以岩土体采用Duncan-Chang本构模型。混凝土材料采用均值线弹性模型，混凝土弹性模量为1GPa, 泊松比为0.20。此外，防渗墙与覆盖层增加Goodman接触面单元，接触面单元参数取值为K1=2500,n=0.667,Rf=0.76,α=38°。其他材料的力学参数见表1。

图1 大坝典型剖面图  

1.2 计算工况

本文的计算工况主要考虑施工期分层填筑和蓄水期的大坝内力及变形过程。具体工况为首先考虑施工期低蓄水位下大坝的内力和变形，并在此基础上醉卧蓄水的初始状态，蓄水过程主要可分为5步。一次改变防渗墙弹性模量和泊松比进行计算大坝的内力和变形。

2 结果与分析

2.1 混凝土刚度对防渗墙应力和变形影响

混凝土弹性模量对小主应力的影响及混凝土弹性模量对小主应力的影响，如图2所示。图2表明，防渗墙的最小主应力随墙的高程增大而增大，当混凝土弹性模量小于5GPa时，最小主应力的变化幅度较小，且防渗墙全部处于受压状态。墙顶局部出现拉应力，但整体表较小，最大低于0.2MPa,处于可控状态。当混凝土弹性模量大于5GPa时，防渗墙的最小主应力变化速率增大，在墙顶局部出现较大的拉应力，最小拉应力为2MP,此时超过了混凝土的极限抗压强度，有可能出现墙体开裂问题。实际工程中也发现了与数值计算结果一致的开裂 现象。混凝土防渗墙的大主应力高程增大而增大，在相同高程位置处，弹性模量越大，防渗墙最大主应力越大。其中当混凝土弹性模量为1GPa时，墙顶处的最大主应力为1.8MPa,当混凝土弹性模量增大至25MPa时，最大主应力的值为8.3MPa,且防渗墙多处于受压状态，如图3所示。

图2 混凝土弹性模量对小主应力的影响   

图3 混凝土弹性模量对大主应力的影响 

混凝土弹性模量对位移的影响，如图4所示。结果表明，混凝土防渗墙的变形随高程增大而增大，最大变形位置主要出现在墙顶位置处。其他条件相同的情况下，混凝土弹性模量对墙的变形影响非常小。总体来看，防渗墙在不同弹性模量的混凝土工况下，最大水平位移出现在墙顶的160mm,相对 较小满足规范安全性要求。因此，实际工程中，墙体的主应力受混凝土弹性模量的影响远远大于墙体变形受混凝土弹性模量的影响。

表1 材料物理力学参数汇总

图4 混凝土弹性模量对位移的影响 

2.2 墙体厚度对防渗墙应力和变形影响

为研究防渗墙厚度对墙体内力及变形的影响。本文假定防渗墙的弹性模量为5GPa,分别计算了混凝土防渗墙厚度为0.4,0.8和1.2m工况下，墙体的内力和变形。防渗墙小主应力随高程的增大而减小，在高程相同的情况下，防渗墙厚度对墙的小主应力应力并不显著，如图5所示。在防渗墙的墙顶局部出现拉应力。最大拉应力分别为-0.2、-3.0和-2.8MPa。防渗墙厚度对大主应力的影响如图6所示。结果表明，大主应力随高程的增大而减小，随厚度的增大而减小。总体来看，防渗墙厚度对小主应力的影响程度要大于对大主应力的影响程度。防渗墙厚度对位移的影响如图7所示。结果表明，3种不同厚度下墙体的水平位移曲线基本重合，证明混凝土防渗墙的厚度对水平位移影响并不显著。此外，墙的水平位移随高程增大而增大，三种厚度下墙体最大位移为160mm。综合来看，不同坝高、不同刚度混凝土下防渗墙的抗压强度均小于极限值，大坝在运营期存在的安全隐患较小[6]6]。

根据以上的分析，实际工程中，为施工简单，通常在防渗墙内部并不施加钢筋。因此计算中不允许墙体出现拉应力。对于大坝高度较大的工程，一般混凝土弹性模量不能超过5GPa。而对于小于20m的坝体，一般可采用常规混凝土进行设计。此外，为例保证防渗墙及大坝有较好的变形能力，通常要求防渗墙为塑性防渗墙，宜采用低弹性模量的混凝土进行浇筑。对于重要性工程，应结合试验及数值模拟进行精确判断选取。

图5 防渗墙厚度对小主应力的影响

图6 防渗墙厚度对大主应力的影响 

图7 防渗墙厚度对位移的影响 

3 结语

本文采用数值模拟研究了混凝土防渗墙内力及变形影响因素，系统的分析了混凝土刚度及防渗墙厚度对墙内力及变形的影响，得到如下几点结论。

(1)防渗墙的最大主应力随墙的高程增大而增大，混凝土防渗墙的变形随高程增大而增大，最大变形位置主要出现在墙顶位置处。综合来看，混凝土弹性模量对墙的变形影响非常小。在不同弹性模量的混凝土工况下，最大水平位移出现在墙顶的160mm。

(2)防渗墙小主应力和和大主应力随高程的增大而减小。总体来看，防渗墙厚度对小主应力的影响程度大于对大主应力的影响程度，墙体厚度对墙的变形影响不显著。

(3)通常在防渗墙内部并不施加钢筋。因此计算中不允许墙体出现拉应力。对于大坝高度较大的工程，一般混凝土弹性模量不能超过5GPa。而对于小于20m的坝体，一般可采用常规混凝土，结合试验及数值模拟进行精确判断选取。

参考文献

[1] 蒋凯乐，李云鹏，张如满，等.塑性混凝土防渗墙土反力系数反演[J].岩土力学，2012,33(S2):389- 394.

[2] 梁岩，班亚云，罗小勇.深槽地基土加固方法对防渗墙的影响研究[J].水利水电技术，2017,48(3):46- 51.

[3] 侯毅，张劲松，李明合，等.花坪河面板堆石坝应力变形分析[J].人民黄河，2013,35(9):103- 105.

[4] 孙明权，常跃.影响混凝土防渗墙内力及变形的因素分析[J].人民黄河，2006(4):65- 66,68.

[5] 谢江松，王政平，湛杰.某面板堆石坝防渗墙内力与变形特性研究[J].人民珠江，2019,40(1):131- 137.

[6] 宁保辉，于沭，董振锋，等.前坪水库大坝设计及三维应力变形分析[J].水利规划与设计，2019(5):140- 144,147.

文章来源水利技术监督. 2023(10)