徐建國，方 姝，王 博，王 剛

(鄭州大學 水利與環(huán)境學院， 河南 鄭州 450002)

高聚物防滲墻土石壩及其應力場與滲流場耦合分析

徐建國，方 姝，王 博，王 剛

(鄭州大學 水利與環(huán)境學院， 河南 鄭州 450002)

系統(tǒng)介紹了土石壩防滲加固工程中高聚物防滲墻的施工方法和步驟，在考慮實際工程條件基礎上，建立壩體正常蓄水情況下高聚物防滲墻土石壩應力場與滲流場耦合分析的數(shù)值模型。高聚物防滲墻堤壩在考慮滲流-應力耦合作用時，壩體不同位置處的最大壓應力的結(jié)果要大于不計耦合時的壓應力值，且高聚物防滲墻豎向位移和水平位移值考慮耦合時明顯大于不計耦合時，壩體內(nèi)浸潤線位置也有同樣變化。分析結(jié)果說明忽略滲流與應力耦合作用會導致壩體和墻體的位移和應力計算結(jié)果偏小，為今后高聚物防滲墻除險加固工程的設計及施工提供理論依據(jù)。

高聚物防滲墻；土石壩；滲流場；應力場；耦合分析

滲流問題是堤壩安全的關(guān)鍵，堤壩防滲的最常用的方法之一就是建立防滲墻，隨著各種新興材料的出現(xiàn)，防滲墻的材料也一直在改進[1-2]，由最初的普通混凝土發(fā)展為鋼筋混凝土、塑性混凝土、黏土混凝土、非水反應類聚氨酯高聚物防滲墻等。而非水反應類聚氨酯作為堤壩防滲加固材料，具有質(zhì)輕、早強、膨脹力大、無污染、防滲性能好、耐久性和力學性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點，相比于剛性混凝土防滲墻彈性模量大、易出現(xiàn)裂縫，高聚物防滲墻正好彌補了這些，也彌補了塑性混凝土防滲墻因強度低引起防滲效果差的弱點。這幾年，在高聚物防滲墻理論研究方面國內(nèi)也取得了一些成果，而且在高聚物防滲墻的施工技術(shù)方面也取得了巨大的進步和創(chuàng)新。文獻[3]經(jīng)過大量的試驗研究證明雙組分發(fā)泡聚氨酯是一種綜合性能優(yōu)良的堤壩防滲加固注漿材料，且以流變學、斷裂力學及巖土力學理論為基礎，計算出了不同注漿量時定向劈裂縫的擴展長度及開度。徐建國等[4]分析了高聚物防滲墻與混凝土防滲墻在靜力與地震荷載下的應力分布及破壞特性的差異。陳玲等[5-6]以高聚物防滲墻對壩體防滲治漏，驗收結(jié)果證實了高聚物防滲墻優(yōu)良的防滲效果。查閱現(xiàn)有研究成果發(fā)現(xiàn)，涉及高聚物防滲墻與堤壩整體的受力特性的研究較少，因此本文采用數(shù)值模擬的方法研究高聚物防滲墻堤壩和高聚物防滲墻受水壓力荷載時應力場的應力變形特性，以及與滲流場耦合時的分析結(jié)果，為今后堤壩除險加固和防滲工程中高聚物防滲墻的設計及施工提供參考。

1 高聚物防滲墻施工方法簡介

土石壩高聚物防滲墻施工時主要利用履帶式液壓成槽機將三錐頭成槽板鉆具壓入土體中至預定深度后拔出形成前序槽孔，如圖1～圖2；槽孔采用布袋注漿接頭或氣袋接頭搭建而成如圖3；重復上述工序，注漿完成后既可形成連續(xù)搭接的高聚物防滲墻(見圖4)；圖5為高聚物防滲墻成墻后進行的開挖注水試驗，試驗經(jīng)長時間蓄水而不發(fā)生側(cè)面滲漏，說明高聚物槽孔注漿與聯(lián)體成墻技術(shù)防滲效果優(yōu)良。

圖1 靜壓成槽施工示意

圖2 槽孔施工示意圖

圖3 布袋封孔及槽孔注漿示意圖

圖4 注漿后形成的連續(xù)搭接防滲墻

圖5 高聚物防滲墻防滲效果試驗

2 高聚物防滲墻土石壩滲流場與應力場耦合分析

對于土石壩等多孔介質(zhì)，滲流場是通過滲透體積力和滲透壓力對應力場產(chǎn)生直接影響的。當在滲透力作用下應力場發(fā)生改變時，土體的體積應變和孔隙率也將發(fā)生相應的變化，一般土的孔隙率越大，其滲透系數(shù)也越大，滲透系數(shù)是孔隙率的函數(shù)，應力場對滲流場的影響通過改變土體體積應變和孔隙率從而影響土體滲透率，最終影響土石壩滲流場。在土石壩正常運行時，只有充分考慮滲流場和應力場的耦合作用，才能反應土石壩的真實狀態(tài)，由文獻[7-10]可知土石壩滲流場與應力場耦合分析時的數(shù)學模型為：

(1)

(2)

式中：H為水頭；K為滲透系數(shù)；Ω為同一求解區(qū)域；Γ1為已知水頭邊界；Γ2為已知流量邊界；Γ3為滲流自由面邊界；n為法線方向；fi為體積力；σij為應力張量；εij為應變張量；ui為位移；λ、G為土體彈性常數(shù)；εji為體積應變；δij為Delta置換坐標；Sσ為已知面力邊界；τi為已知面力;Su為已知位移邊界。

(3)

第n+1次和第n次迭代的滲流場水頭分布差要小于其水頭精度εH，應力張量場分布差也要小于其應力求解精度εσ。最終得出耦合后的滲流場水頭和應力場為：

(4)

3 高聚物防滲墻土石壩數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型創(chuàng)建

首先利用試驗結(jié)果創(chuàng)建并標定合理的數(shù)值計算模型[11]，確定模型中材料本構(gòu)模型參數(shù)、接觸面設置和邊界條件；然后根據(jù)以上已知參數(shù)、設置和條件，創(chuàng)建基于原型工況的數(shù)值計算模型，對高聚物防滲墻土石壩進行計算，得到防滲墻和壩體的浸潤面，主應力云圖以及豎向和水平向的位移變形圖。利用ABAQUS軟件建立二維模型[12]，考慮到防滲墻和壩體壩基之間復雜接觸問題采用4節(jié)點四邊形孔壓平面應變單元CPE4P，土體材料采用鄧肯(Duncan)-張(Chang)非線性彈性E-B模型[13]，模型參數(shù)設置見表1。

在ABAQUS中選擇輸出數(shù)據(jù)、控制求解方法等需要在分析步(Step)中設置完成。該數(shù)值模型共創(chuàng)建三個分析步，依次為默認初始分析步用于施加邊界條件；地應力，通用分析步用于施加重力；靜力分析步用于施加壩前水壓力；邊界設置滲流邊界和壩基底部水平和豎直約束以及左右水平約束[14-15]。土石壩中防滲墻與土體之間的接觸面，采用古德曼 (Goodman)無厚度單元模擬，古德曼單元通常將剪力和剪切變形之間的關(guān)系模擬為非線性彈性，計算模型有限元網(wǎng)格劃分如圖6所示。

表1 模型材料參數(shù)

圖6 有限元網(wǎng)格剖分

3.2 壩體壓應力結(jié)果分析

僅考慮靜力荷載作用與考慮滲流場與應力場相互耦合作用時，兩種情況下壩體最大主應力分布規(guī)律一致，趨勢為從壩頂?shù)綁蔚字饾u遞增，并且最大壓應力均位于壩基底部，如圖7所示，考慮兩場耦合時最大壓應力為438.2kPa，而僅考慮靜力荷載下的應力場時最大壓應力為398.6kPa，考慮兩場耦合比僅考慮應力場最大壓應力增大約9.93%；高聚物防滲墻墻體最大壓應力也是隨墻體深度的增加而增大，耦合分析時墻體底部壓應力值最大144.7kPa，僅考慮應力場時的最大壓應力為126.3kPa，考慮兩場耦合比僅考慮應力場最大壓應力增大約12.7%；選取距防滲墻10m處，即防滲墻前和防滲墻后兩個豎直截面、以及防滲墻處壩體豎直截面，對比此三處豎向截面沿不同高度最大壓應力值如表2所示。選取距離壩底同一高度7.2m處單元，對比耦合與不計耦合的最大壓應力值變化(見圖8)，同一位置的耦合值明顯大于不計耦合值，且由于壩體上游浸潤線高于壩體下游浸潤線，考慮耦合作用時的壩前最大壓應力值均大于壩后對稱位置值，但不計耦合時卻沒有該現(xiàn)象出現(xiàn)；選擇高聚物防滲墻體內(nèi)部單元并提取最大壓應力繪制沿壩高折線圖(見圖9)，對應位置耦合值也明顯高于不計耦合值，故此高聚物防滲墻在設計與計算時應當充分考慮滲流場與應力場的耦合作用對大壩內(nèi)部及高聚物防滲墻墻體的最大壓應力的影響。

圖7 壩體最大主壓應力分布

圖8 相同高度壓應力對比

圖9 高聚物防滲墻最大壓應力

3.3 防滲墻的位移變化

同混凝土防滲墻相比，高聚物防滲墻屬于一種柔性防滲墻，在考慮滲流場與應力場耦合計算的墻體位移時，由于高聚物材料本身彈性模量與土體接近，墻體與周圍土體有著良好的變形協(xié)調(diào)。由圖10可知，在考慮耦合作用時，從壩頂至壩底的墻體水平位移有明顯的先增加后減小的趨勢，墻體水平位移最大值為10.51mm(在墻深3.26m處)，不計耦合作用下的水平位移最大值為10.05mm(在壩頂處)。由圖11可知，墻體豎向位移無論是在考慮耦合和不計耦合作用時，從壩頂至壩底均呈現(xiàn)減小趨勢，豎向位移最大值在壩頂處，考慮耦合作用時最大值為1.76cm，僅考慮應力場時最大值為1.35cm。高聚物防滲墻的橫向位移和豎向位移除個別少數(shù)幾個位置，考慮耦合的結(jié)果均大于不計耦合的結(jié)果，說明考慮耦合作用時，滲流場對壩體位移場計算值有較大影響，耦合計算使得結(jié)果更接近實際情況。

圖10 防滲墻水平位移圖

3.4 壩體孔壓分布

滲流場與應力場耦合計算時，壩體孔壓最大值為241.7kPa，在上游壩底處；僅考慮滲流場時，壩體孔壓最大值也為240kPa，壩體主體部分孔壓分布如圖12和圖13所示，灰色區(qū)域為非飽和的，分界線為浸潤面位置。由于防滲墻的截滲作用，墻前后的水頭有明顯坡降，水頭差為1.84m。

比較圖12和圖13可知，在防滲墻處有明顯的坡降，說明防滲墻起到了較好的防滲作用，有效降低了壩體浸潤線高度，考慮耦合與不計耦合時壩體滲流場比較接近，由圖14可知，在壩體上游考慮耦合時浸潤面要高于不計耦合的浸潤面，而在壩體下游不計耦合時的浸潤面要高于考慮耦合時的浸潤面，但兩者差別不大。

圖11 防滲墻豎向位移圖

圖12 孔壓等值線云圖(考慮耦合)

圖13 孔壓等值線云圖(不計耦合)

圖14 浸潤面位置對比

4 結(jié) 論

(1) 考慮滲流場與應力場耦合作用時土石壩壓應力分布規(guī)律與僅考慮應力場時基本相同，土石壩壩體內(nèi)部壓應力，在考慮兩場耦合時比僅考慮應力場時的明顯增大，高聚物防滲墻墻體最大壓應力也是隨墻體深度的增加而增大。

(2) 選取壩前、壩中及壩后，即防滲墻前和防滲墻后兩個豎直截面、以及防滲墻處壩體豎直截面，對比此三處豎向截面沿不同高度最大壓應力值，耦合值明顯大于不計耦合值；同時由于壩體上游浸潤線高于壩體下游浸潤線，考慮耦合作用時的壩前最大壓應力值均大于壩后對稱位置處的最大壓應力值，但不計耦合時卻沒有該現(xiàn)象出現(xiàn)。

(3) 同混凝土防滲墻相比，高聚物防滲墻屬于一種柔性防滲墻，在考慮滲流場與應力場耦合作用計算墻體位移時，由于高聚物材料本身彈性模量與土體接近，墻體與周圍土體有著良好的變形協(xié)調(diào)。

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Seepage Field and Stress Field Coupling Analysis of Dam with Polymer Anti-seepage Wall

XU Jianguo, FANG Shu, WANG Bo, WANG Gang

(ZhengzhouUniversity,SchoolofWaterConservancy&Environment,Zhengzhou,Henan450002,China)

This paper systematically introduces the construction methods and steps of polymer anti-seepage wall in the anti-seepage and reinforcement works of the earth-rock dam, considering the actual engineering conditions, establish the numerical model of the coupling analysis between the stress field and the seepage field about earth-rock dam with polymer anti-seepage wall under normal water storage. Considering the seepage-stress coupling, the data of the maximum compressive stress at different positions of the dam are larger than the compressive stress without seepage-stress coupling, and the vertical displacement and horizontal displacement of the polymer anti-seepage wall are also greater, and the body infiltration line position of dam also has the same change. The results show that ignoring the seepage-stress coupling can lead to smaller calculation results of displacement and stress of dam and wall, which can provide theoretical basis for design and construction of polymer anti-seepage wall reinforcement.

polymer anti-seepage wall; earth-rock dam; seepage field; stress field; coupling analysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.001

2017-04-02

2017-05-03

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0401608)；國家自然科學基金項目(51579226)；水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室開放基金項目(sklhse-2016-C-02)；河南省科技攻關(guān)項目(142102310059)

徐建國(1965—)，男，河南孟津人，博士，教授，主要從事水工結(jié)構(gòu)抗震等方面研究。 E-mail:Jianguoxu@zzu.edu.cn

TV641

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