防渗墙侧壁负摩阻力的有限元分析

杜　滨，袁小斐，阎雪梅（.山东省水利科学研究院，山东 济南 5004；.荣成市水利局，山东 荣成 64300）

防渗墙侧壁负摩阻力的有限元分析

杜滨1，袁小斐2，阎雪梅2
（1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014；2.荣成市水利局，山东 荣成 264300）

【摘要】以威海市崮山水库为例，采用有限元法分析防渗墙的受力状态，探讨模量比值k的变化对墙体负摩阻力，以及中性点位置的影响，为防渗墙的运行管理提供理论支持。

【关键词】防渗墙；负摩阻力；相对沉降；中性点

防渗墙是修筑在土石坝和松散覆盖层中起防渗作用的地下连续墙，因其防渗效果好、施工速度快，结构可靠等优点，是土石坝防渗处理的首选工程措施。但是防渗墙主要是以水泥为胶凝材料的混凝土构筑物，即使采用黏土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的塑性混凝土浇筑的防渗墙，其变形模量与坝体土也差异较大，坝体在自身沉降过程中，墙体变形小，坝体变形大，当坝体土相对墙体产生向下的位移时，土体就会对墙体产生向下的摩阻力即负摩阻力，当负摩阻力大于墙体材料的抗拉强度时，防渗墙就会出现开裂，裂缝的出现会严重降低墙体的防渗性能，甚至产生流土、管涌等水力破坏现象。本文结合威海市崮山水库大坝安全鉴定，分析防渗墙的侧壁摩阻力的变化，评价墙体的工作状态。

1　工程概况

崮山水库位于威海市环翠区，是一座以防洪、供水为主的中型水库。枢纽工程由大坝、溢洪道、放水洞3部分组成，坝长385.0 m，最大坝高20.3m。心墙和坝基砂内构筑混凝土防渗墙，墙体位于坝轴线，墙长150.8m，厚度0.6 m，顶高程25.0 m，坝基砂内平均深度12.71 m,底部嵌入基岩1.2m，墙体材料为C10素混凝土。水库经多年运行后，现状沉降基本稳定，但是防渗墙与墙两侧土体弹性模量差异较大，由于沉降差异，墙体侧壁易出现负摩阻力，当负摩阻力大于墙体抗拉强度时，可引起墙体裂缝，因此采用有限单元法对防渗墙侧壁负摩阻力模拟计算，评价墙体的应力状态。

2　防渗墙应力分析

防渗墙应力计算采用Duncan Et-μt模型，它是一种非线性应力应变关系模型，两个基本变量为切线杨氏模量Et和切线体积变形模量Bt，Et、Bt表达式分别为：

式中，K为模量参数；n为无因次指数；Pa为大气压力；Rf为破坏比；Kb是待定试验常数；m为体积模量指数；S为应力水平。

由Et、Bt作为参数求得土的泊松比μt为：

计算中限制Bt值在Et/3～17Et的范围内，相当于μt在0～0.49的范围内。

坝体主要由黏土心墙、壤土坝壳、砂壳、堆石压重体和坝基砂组成，坝基基岩为片麻花岗岩，作为刚性材料考虑。坝体土计算参数均可采用常规三轴剪切试验测定，室内试验成果建议值见表1。防渗墙的干密度、弹性模量和泊松比分别为ρd=2.4 g/cm3，E=600MPa，μ=0.17。

埋于坝体和坝基中的防渗墙，其受力情况比较复杂，不仅受到水压力、土压力、坝体自重的影响，同时由于防渗墙及其两侧的弹性模量差异较大，沉降差异引起的不均一变形产生侧壁正、负摩阻力，防渗墙底部支撑条件也是影响墙体受力的主要因素。对于已运行多年的水库，坝体主要是竖向变形，墙体与两侧坝体沉降差异产生的摩阻力引起的墙体竖向应力为主要内力，也是产生墙体裂缝的主要因素。防渗墙侧壁摩阻力分布见图1。

表1坝体土室内试验结果汇总表

图1防渗墙侧壁摩阻力沿深度的分布曲线

由图1知：在心墙内部及坝基中上部的防渗墙内竖向主应力都为负值；防渗墙随着深度的增加负摩阻力逐渐减小，在深度24m处摩阻力为零，墙体和两侧土体沉降相等，该点定义为中性点，中性点向下逐渐产生了正的摩阻力。经计算墙体最大负摩阻力为1 250 kPa，接近墙体的极限抗拉强度值，因此墙体内存在产生裂缝的可能。

经分析，防渗墙出现负摩阻力的原因是：坝体和防渗墙的弹性模量差异较大，且墙体底部支撑条件较好，在外力作用下，墙体变形较小，而坝体材料为松散层，在自重下所产生的固结沉降明显，最大沉降量达84.5 cm，使得防渗墙两侧的坝体沉降大于防渗墙的沉降，从而引起对墙体侧面的向下摩阻力，随着深度的增加，坝体沉降量逐渐变小，而墙体在上覆压力和负摩阻力的作用下沉降量逐渐增加，二者的相对沉降量逐渐减小，侧壁负摩阻力也逐渐减小，当相对沉降减小为零，即达到了中性点，侧壁摩阻力为零；过中性点后，上部产生的较大负摩阻力使防渗墙的压缩量继续增加，大于了两侧覆盖层的压缩量，这时在防渗墙的侧壁上会出现正的摩阻力（方向向上），且随着深度的增加在不断加大，一直达防渗墙底部，其正摩阻力达到了最大值。由于墙体底部是入岩的封闭式防渗墙，墙基坚硬，受负摩阻力引起的下拉荷载产生的沉降较小，负摩阻力会长期作用于中性点以上墙体两侧，由于溶蚀等外部因素的影响，墙体强度会逐渐降低，当负摩阻力大于混凝土的拉应力时，会造成墙体开裂，因此应加强墙体长期观测。

3　不同k值下的负摩阻力计算

防渗墙侧壁产生负摩阻力的原因是墙体与两侧土体的刚度不同，在外力作用下坝体产生了相对墙体的沉降。为研究两者的刚度差异对负摩阻力的影响，选取两种材料的不同模量比值k进行计算分析。不同k值下的墙侧壁最大负摩阻力变化和中心点位置见图2。

图2 k值与负摩阻力和中性点关系曲线

从图2知，防渗墙－土层相对刚度的大小对防渗墙最大侧壁摩阻力有较大的影响。随着k的增大，其侧壁负摩阻力也不断的加大。侧壁负摩阻力在k值较小时增长较快，但随着k值的继续增加，其最大负摩阻力的增量逐渐减小。原因是随着k值的加大，墙体的模量不断增加，在外力不变的情况下自身沉降量减小，墙体与两侧松散层的相对沉降增大，当相对位移增加到一定程度，两侧土体产生屈服破坏，侧壁摩阻力达到峰值，即使再加大k值，其负摩阻力基本保持不变。因此为降低侧壁负摩阻力，在满足墙体抗压强度的情况下，尽量采用低弹模的塑性防渗墙。

4　k值对中性点的影响

防渗墙所受摩阻力为0的点为中性点。经计算防渗墙中性点位置随着k的变化见图2。

由图2知，中性点的位置在-15～23 m之间，也就是在防渗墙深度的1/2～1/3处，符合端承墙的受力规律。中性点随着相对刚度k值的增大而深度逐渐增加，在二者的刚度比较接近时，k值对中性点的位置影响较大，当刚度差别较大时，中性点的位置基本不随k值的变化而变化。原因是防渗墙的弹性模量较小时，防渗墙的变形大，产生的相对位移小，随着深度的增加，负摩阻力的增加引起的防渗墙压缩量不断的变大，使得防渗墙与覆盖层两者的不均匀沉降快速的得到了弥补，从而中性点较高。随着k的加大，中性点下降的速度在放慢。中性点处也就是墙体所受应力最大的点，因此在工程管理中，要重点加强防渗墙底端1/3～1/2之间的施工质量，加强该处的观测。

5　结论

通过对崮山水库防渗墙侧壁负摩阻力和中性点位置随k值的变化规律分析得出，主要结论：1）水库经过多年运行，坝体固结沉降明显，最大沉降量达84.5 cm，造成墙体产生较大的负摩阻力，其值已经接近材料的极限抗拉强度，应加强墙体观测。2）防渗墙－土层相对刚度的大小对防渗墙最大侧壁摩阻力有较大的影响。侧壁负摩阻力在k值较小时增长较快，但随着k值的继续增加，其最大负摩阻力的增量逐渐减小。因此为降低侧壁负摩阻力，在满足墙体抗压强度的情况下，尽量采用低模量的材料以适应坝体变形，从而减小防渗墙的应力。3）防渗墙最大竖向应力的位置基本在距防渗墙底端1/3～1/2处，因此在工程中应加强该部位的监测，防止墙体出现破坏。

（责任编辑赵其芬）

【中图分类号】U443.1

【文献标识码】B

【文章编号】1009-6159（2015）-08-0005-02

收稿日期：2015-05-26

作者简介：杜滨（1978—），男，工程师