復(fù)合土工膜高土石壩滲流穩(wěn)定性分析

1滲流場(chǎng)模擬與計(jì)算中國(guó)將土壤侵蝕膜用作防洪堤的應(yīng)用越來(lái)越普遍。一些100米高的土壩還采用了復(fù)合土工膜（復(fù)合土工膜心墻或滲透斜墻的滲透）將水庫(kù)分隔開來(lái)。復(fù)合土工膜滲透的土壩呈現(xiàn)出從低壩向高壩的趨勢(shì)。文獻(xiàn)中詳細(xì)論述了我國(guó)土石壩采用土工膜成功防滲的工程實(shí)例。對(duì)于防滲土料不能完全符合防滲要求的高水頭土石壩,采用復(fù)合土工膜、粘土心墻或聯(lián)合抗?jié)B滿足了其防滲要求,并且復(fù)合土工膜與心墻的聯(lián)合抗?jié)B能有效降低下游壩坡的浸潤(rùn)線高度,減小壩體底部所承受的孔隙水壓力,有效削弱心墻拱效應(yīng),大大降低下游壩坡失穩(wěn)的可能性,有效防止粘土心墻水平裂縫的產(chǎn)生。目前對(duì)復(fù)合土工膜土石壩防滲問(wèn)題的研究多集中在中低土石壩,多采用專業(yè)軟件進(jìn)行滲流場(chǎng)數(shù)值模擬,比較成熟的是應(yīng)用飽和滲流理論與飽和-非飽和滲流理論以及Galerkin理論,對(duì)(復(fù)合)土工膜防滲土石壩進(jìn)行滲流場(chǎng)仿真分析,研究土工膜等效處理時(shí)不同厚度放大倍數(shù)下大壩滲流場(chǎng)的變化規(guī)律,計(jì)算大壩滲流量和浸潤(rùn)線與土工膜厚度放大倍數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)于復(fù)合土工膜產(chǎn)生缺陷或者孔洞以后滲流問(wèn)題的研究,Brown等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)土工膜上下介質(zhì)為無(wú)限透水時(shí),如孔洞尺寸大于土工膜厚度,可把這種情況下的滲流看成孔口自由出流,可用Bernoulli公式計(jì)算。GiroudJP和BonaparteB等對(duì)強(qiáng)透水支持層和弱透水支持層作了土工膜滲漏量的試驗(yàn)比較。但試驗(yàn)防滲水頭較小,只有0.3m,結(jié)果顯示,對(duì)于微小防滲水頭,弱透水支持層對(duì)于滲漏量減少作用很大。文獻(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)中低水頭下不同支持層土工膜滲漏量作了比較,同樣的在低水頭作用下弱透水支持層對(duì)滲漏量的限制作用較大。但當(dāng)水頭在30m時(shí),不同支持層下的滲漏量接近相等。這也證明了弱透水支持層土工膜防滲結(jié)構(gòu)對(duì)只存在低水頭的環(huán)境工程中的污水防滲和危險(xiǎn)性廢物堆場(chǎng)的封閉是非常合適的。對(duì)于大面積土工膜(復(fù)合土工膜)滲透系數(shù)的研究,文獻(xiàn)通過(guò)一座真實(shí)平原水庫(kù)的原型觀測(cè),從水量平衡角度,采用達(dá)西定律對(duì)庫(kù)盤大面積土工膜防滲體的滲透特性進(jìn)行研究,分析庫(kù)盤大面積土工膜防滲體產(chǎn)生的破損孔洞對(duì)土工膜滲透特性的影響,計(jì)算大面積土工膜防滲體的滲透量和滲透系數(shù),從整體上得出大面積土工膜防滲體滲透特性的分析方法。通過(guò)以上分析,對(duì)復(fù)合土工膜防滲性能的研究多集中在中低土石壩或低水頭的水庫(kù)、環(huán)境工程中,而對(duì)高土石壩采用復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲研究較少,缺乏工程實(shí)踐。為了研究高土石壩采用復(fù)合土工膜防滲以后壩體的應(yīng)力應(yīng)變特性以及防滲效果,以一座高為127.5m的高土石壩為例,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)測(cè)得壩體材料的物理性質(zhì)指標(biāo)和鄧肯張E-B模型參數(shù),采用有限元計(jì)算方法,計(jì)算竣工期和滲流穩(wěn)定期復(fù)合土工膜高土石壩壩體應(yīng)力、應(yīng)變和變形以及大壩滲流量,并和粘土心墻防滲計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,并對(duì)復(fù)合土工膜心墻是否發(fā)生水力劈裂進(jìn)行判斷?？梢詾閺?fù)合土工膜高土石壩的設(shè)計(jì)和施工提供有益的參考。2壩體材料物理性質(zhì)為了更好地模擬復(fù)合土工膜高土石壩的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng),采用鄧肯張E-B模型進(jìn)行計(jì)算。鄧肯張本構(gòu)模型雖然不能反映堆石體的剪脹剪縮性、軟化特性以及各向異性,但它能很好地反映堆石體的變形特點(diǎn)。壩體材料物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。壩體各分區(qū)的材料性質(zhì)不一,在有限元計(jì)算中應(yīng)按不同的屬性進(jìn)行賦值。表2為壩體鄧肯張E-B模型參數(shù),通過(guò)三軸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)推求鄧肯張E-B模型的幾個(gè)參數(shù)。表3為壩體各分區(qū)的滲透系數(shù),復(fù)合土工膜的滲透系數(shù)按文獻(xiàn)取值,復(fù)合土工膜的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表4。。3復(fù)合土工膜心墻某引水工程水利樞紐屬大(2)型Ⅱ等工程,攔河大壩擬采用復(fù)合土工膜心墻高土石壩或粘土心墻高土石壩。壩體屬2級(jí)建筑物,大壩最大壩高127.5m,壩頂寬11m,壩頂長(zhǎng)440m,正常高水位為594.0m。上游壩坡為1∶2.2,下游平均壩坡為1∶1.8。復(fù)合土工膜心墻頂部高程為598m。心墻兩側(cè)設(shè)反濾層,復(fù)合土工膜心墻及反濾層均置于基礎(chǔ)混凝土板上,上下游壩殼置于河床砂卵石上。若采用粘土心墻進(jìn)行壩體防滲,粘土心墻坡率為1∶0.3,粘土要符合防滲要求,壩體最大剖面如圖1。4粘土墻高石壩的多元計(jì)算公式4.1應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算模型有限元計(jì)算采用大型有限元軟件ABAQUS進(jìn)行,壩體本構(gòu)模型采用鄧肯張E-B模型,計(jì)算參數(shù)見表2,壩體各分區(qū)的滲透系數(shù)見表3,復(fù)合土工膜的計(jì)算參數(shù)見表4。計(jì)算模型中的荷載按照壩體施工填筑的先后次序分12級(jí)來(lái)模擬,順序如下:第1～2級(jí):上游圍堰分兩層逐級(jí)加載;第3～11級(jí):壩體分九層逐級(jí)加載,包括粘土心墻及下游排水棱體;第12級(jí):水庫(kù)蓄水至112.5m相對(duì)高程。應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算有限元網(wǎng)格共劃分897個(gè)節(jié)點(diǎn),823個(gè)單元,類型為CPE4單元,即四節(jié)點(diǎn)四邊形平面應(yīng)變單元。粘土心墻壩體有限元計(jì)算模型見圖2,壩體各部分的滲透參數(shù)見表3。圖3為粘土心墻壩體有限元網(wǎng)格劃分示意圖。4.2壩體材料的“泊松”效應(yīng)粘土心墻及堆石體竣工期和滲流穩(wěn)定期的應(yīng)力應(yīng)變、位移極值見表4。粘土心墻在竣工期、穩(wěn)定滲流期的水平位移極值為7.8cm、12.3cm。堆石體在竣工期、穩(wěn)定滲流期的水平位移極值為8.5cm、12.3cm,均向下游。壩體水平位移是由堆石體材料的“泊松”效應(yīng)所引起的,這是堆石體的流變性所至。堆石體和粘土心墻的小主應(yīng)變值均為負(fù)值,說(shuō)明壩體和粘土心墻在局部產(chǎn)生了拉應(yīng)變。堆石體和粘土心墻的主應(yīng)力最大值分別為2497、2346kPa。壩體滲流量為4.21×10-6m3/(s·m)。圖4為粘土心墻壩體孔隙水壓力等值線圖,從圖中可以看出,粘土心墻兩側(cè)的孔隙水壓力相差很大,這說(shuō)明粘土大大降低壩后浸潤(rùn)性,減小壩體底部的孔隙水壓力,大大增強(qiáng)了壩體的滲透穩(wěn)定性。水力劈裂是高壓水流或其他液體將巖體內(nèi)已有的裂紋、孔隙驅(qū)動(dòng)擴(kuò)張、擴(kuò)展、相互貫的通現(xiàn)象。由于心墻受到兩側(cè)堆石體或兩岸山體的支撐作用,心墻產(chǎn)生拱效應(yīng),使心墻內(nèi)部的實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)小于心墻的自重應(yīng)力,才會(huì)產(chǎn)生水力劈裂。從圖5可以看出,壩體心墻任一高程處的豎向應(yīng)力和總應(yīng)力值都大于水壓力,因此心墻不會(huì)發(fā)生水力劈裂。5高邊坡復(fù)合熱層建筑的金元計(jì)算5.1應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算單元分布根據(jù)壩體施工分層填筑的實(shí)際情況和壩體材料的非線性特性,采用逐級(jí)施加荷載的方法填筑上升。計(jì)算模型中的荷載按照壩體施工填筑的先后次序進(jìn)行,加載順序與粘土心墻有限元計(jì)算相同。應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算有限元網(wǎng)格共劃分943個(gè)節(jié)點(diǎn),860個(gè)單元,類型為CPE4單元,即四節(jié)點(diǎn)四邊形平面應(yīng)變單元。圖6為壩體復(fù)合土工膜防滲斜墻計(jì)算模型,圖7為壩體復(fù)合土工膜防滲斜墻有限元計(jì)算網(wǎng)格。5.2壩體滲流穩(wěn)定期豎向位移和水平位移復(fù)合土工膜高土石壩竣工期和滲流穩(wěn)定期壩體、應(yīng)力應(yīng)變位移值見表5。堆石體在竣工期和滲流穩(wěn)定期的豎向位移分別為45.8、42.5cm;向上游的水平位移分別為3.7、3.0cm;向下游的水平位移為7.1、13.1cm?？⒐て诘呢Q向位移是由于堆石體的重力所引起的,基本沿壩軸線對(duì)稱分布;壩體建成蓄水后,豎向位移繼續(xù)發(fā)展,至滲流穩(wěn)定期,由于水壓力的作用,豎向位移的最大值偏向下游;在堆石體重力作用下,不僅會(huì)發(fā)生豎向位移,也會(huì)發(fā)生水平位移?？⒐て诤蜐B流穩(wěn)定期水平位移的最大值都發(fā)生在下游。壩體豎向位移和水平位移由堆石體材料的“泊松比”效應(yīng)所引起的,這是堆石體的流變性所至?？⒐て诤蜐B流穩(wěn)定期大主應(yīng)力最大值分別為為2503、2361kPa,均為壓應(yīng)力?？⒐て诤蜐B流穩(wěn)定期堆石體大主應(yīng)變最大值為1.42%和1.5%,為壓應(yīng)變;堆石體小主應(yīng)變最大值為0.51%和0.38%,為拉應(yīng)變。堆石體的滲流量為2.33×10-7m3/(s·m),與粘土心墻比較,復(fù)合土工膜防滲體可以大大減小壩體的滲流量。圖8為壩體孔隙水壓力等值線圖,從圖中可以看出,鋪設(shè)復(fù)合土工膜心墻以后,壩體心墻兩側(cè)的孔隙水壓力相差很大,這說(shuō)明復(fù)合土工膜可以大大降低壩后浸潤(rùn)性,減小壩體底部的孔隙水壓力,減小幅度在50%左右。由于復(fù)合土工膜是人工合成的薄膜材料,表面光滑,沒有裂隙,因此其自重幾乎不會(huì)對(duì)膜本身產(chǎn)生任何應(yīng)力,也不會(huì)產(chǎn)生拱效應(yīng)。因此,復(fù)合土工膜心墻不需要進(jìn)行水力劈裂計(jì)算。6復(fù)合土工膜對(duì)壩體性能的影響通過(guò)對(duì)復(fù)合土工膜心墻高土石壩與粘土心墻高土石壩應(yīng)力應(yīng)變的有限元仿真計(jì)算,可以得到以下結(jié)論。(1)高土石壩采用復(fù)合土工膜心墻防滲體進(jìn)行防滲,能更好地達(dá)到防滲的目的。復(fù)合土工膜心墻與粘土心墻相比,復(fù)合土工膜對(duì)降低壩體浸潤(rùn)線、減小壩體孔隙水壓力均有顯著作用,減小幅度在50%左右,這樣就大大增強(qiáng)