塑性红黏土混凝土控渗墙与覆盖层蓄水期应力应变关系模拟探究

翁冰清

(江西省交通运输科学研究院有限公司，南昌 330200)

1 案例水库情况简介

案例水库为江西境内的一处V等小(Ⅱ)型水库枢纽工程，建筑物永久性防冲消能标准10%，洪期设计P=10%，洪期校核P=2%。坝身最高12.5 m，坝顶总长度约220 m，坝顶宽度5.0～8.0 m，坝顶不够平整。上下游坝身坡度比例设计为1∶2。右坝略高，左坝稍低，坝顶存在交通应用需求。区域主要为第四系及二叠系上统的峨眉玄武岩(P2P)组覆盖地层。案例水库坝身横纵截面见图1和图2。

图1 案例坝横截面

图2 案例坝纵截面

2 分析模型的建立

本次模拟计算分析采用邓肯张E-B模型，模拟塑性红黏土防渗混凝土墙、坝基盖覆层及坝身填料。借助HyperMesh系统建立网络模型，并导入ABAQUS系统的standard功能模块实施有限元计算模拟?网络划分和模拟选用精密成度较大的二次C3D10M及C3D8工具，划分单元总数为140 312个，网格警告率控制在0.14%以下。有限元网络模型见图3。

各部位实验材料主要参数见表1。

图3 有限元网络模型

表1 各位置材料实验参数

3 基于蓄水工况的控渗墙与盖覆层应力应变影响关系分析

本文选择河谷中心纵截面作为典型纵截面，数字模拟厚0.3 m塑性红黏土混凝土控渗墙与覆盖层蓄水期应力应变协调关系。此次数字模拟中，各主应力单位取MPa，规定以拉为正，反之取负。移位单位取cm，规定竖垂向移位以向上为正，顺流向移位以向下游的移位为正。

3.1 基于水线差异的垂向形变影响关系

基于核校洪期水线、常规蓄水线及死水线的控渗墙与盖覆层竖垂向移位云状态图见图4。

基于核校洪期水线、常规蓄水线及死水线的控渗墙与盖覆层竖垂向移位计算成果见表2。

图4 蓄水工况控渗墙及盖覆层竖垂向移位云状态图(m)

表2 厚度0.3 m控渗墙及盖覆层竖垂向模拟计算结果 /cm

表2数据揭示，随着水线的升高，坝身与盖覆层的竖垂向移位对应变大。控渗墙在死水线、常规蓄水线及核校洪期水线下，竖垂向最小移位值均出现在墙底，分别是-0.58、-0.67及-0.68 cm；最大移位值均出现在墙顶，分别是-1.84、-2.19及-2.22 cm。在水线等同高程条件下，沿着高度加增的方向，控渗墙竖垂向移位值呈加大态势，并且于墙顶到达最大值。在同一水线高度位置，随着水线的降低，竖垂向移位呈对应降低。

基于核校洪期水线、常规蓄水线及死水线的控渗墙与盖覆层竖垂向移位曲线见图5。

图5 厚度0.3 m控渗墙及盖覆层竖垂向移位曲线

图4和图5揭示，在核校洪期水线、常规蓄水线及死水线标准下，弹塑性红黏土混凝土控渗墙的中部与盖覆层竖垂向移位协调良好，之后是底部。与中部、顶部相较，因为牵扯作用所致，顶部的协调性相对稍差。底部坝身的降沉值相对略高于其两侧的盖覆层，顶部降沉值则相对略低于两侧盖覆层，所以坝身在垂向存在被拉伸态势，为该控渗墙发生拱效应提供了条件。因为两侧盖覆层和墙顶的静水压力作用，拉伸作用在墙顶附近表现最为明显，所以此处尤其需要强韧度抗拉校验。

3.2 基于水线差异的顺流向形变影响关系

基于核校洪期水线、常规蓄水线及死水线的控渗墙与盖覆层顺流向移位云状态图见图6。

基于核校洪期水线、常规蓄水线及死水线的控渗墙与盖覆层顺流向移位计算成果见表3。

基于核校洪期水线、常规蓄水线及死水线的控渗墙与盖覆层顺流向移位曲线见图7。

图6 蓄水工况控渗墙及盖覆层顺流向 移位云状态图(m)

表3 厚度0.3 m控渗墙及盖覆层顺流向模拟计算结果 /cm

图7 厚度0.3 m控渗墙及盖覆层顺流向移位曲线

由图7揭示，在常规蓄水线、核校洪期水线下，控渗墙均在1 718 m附近出现顺流向移位最大值，最大值分别为-0.56和-0.54 cm；在墙顶出现最小值，分别为-0.13和-0.10 cm。顺流向移位最大值在死水线下于墙底出现最小值，该最小值为-0.20 cm；顺流向移位最大值在死水线下于1 719 m附近出现，该最大值为-0.72 cm。

该类控渗墙在核校洪期水线下，顺流向移位的最大值在坝身中部出现，其值为-0.54 cm；因为高水头作用，在墙顶出现移位最小值，其值为-0.10 cm。常规蓄水线下，移位曲线规律同核校洪期大同小异，同样在坝身中部出现最大值，其值为-0.56 cm；在墙顶出现最小值，其值为-0.13 cm。控渗墙顶部因为水线降低，所受到的牵扯作用相对减弱，故相较核校洪期水线工况，最小值、最大值均有所加大。

相较于常规蓄水线及核校洪期水线，坝身顺流向移位死水线下最大值出现处有升高态势，该值为-0.72 cm，在墙底出现最小值为-0.20 cm。这是因为静水压力在死水线作用下低于常规蓄水线及核校洪期水线，致坝身顶部缘于上游坝的牵扯作用减弱，故坝身顶部的顺流向移位值在死水线下高于常规蓄水线及核校洪期水线的顺流向移位值，在墙底出现顺流向移位最小值。死水线下顺流向移位协调性显然相对优于常规蓄水线和核校洪期水线。其中核校洪期水线下，顺流向移位最大值出现处协调性较差。

3.3 基于水线差异的控渗墙应力应变状态分析

在核校洪期水线、常规蓄水线和死水线下，控渗墙竖垂移位和顺流向移位模拟计算结果见表4。

表4 控渗墙竖垂向移位及顺流向移位

由表4模拟计算结果得到的、基于在核校洪期水线、常规蓄水线及死水线工况下的弹塑性黏土混凝土控渗墙竖垂向移位和顺流向移位曲线见图8。

图8 厚度0.3 m控渗墙竖垂向和顺流向移位曲线

表4和图7-图8揭示，在死水线、常规蓄水线及核校洪期水线工况作用下，控渗墙降沉均于墙顶1 722.5 m附近出现最大值，分别为-1.844、-2.197及-2.227 cm，并且竖垂向移位的降沉值随着水线的降低而伴随对应降低。在死水线、常规蓄水线及核校洪期水线工况作用下，控渗墙分别于1 719.5、1 718.5及1 718.5 m附近发生顺流向移位，对应值分别为-0.723、-0.563及-0.549 cm。控渗墙顶部坝身牵扯作用因为水线的逐渐下降而伴随对应加大。

在核校洪期水线、常规蓄水线及死水线下，厚度0.3 m混凝土控渗墙下游面、中心面和上游面垂向应力的模拟计算结果见表5。

表5 三水线工况三工位垂向应力的模拟计算结果 /MPa

由表5模拟计算结果，获得在核校洪期水线、常规蓄水线及死水线下厚0.3 m黏土弹塑性混凝土控渗墙垂向应力特征曲线，见图9。

图9 蓄水工况厚度0.3 m弹塑性红黏土混凝土控渗墙垂向应力曲线

由图9垂向应力曲线揭示，沿高度变化，控渗墙内垂向应力对应变化不大。在3种水线工况作用下，墙顶压应力均值分别为-0.262、-0.330及-0.336 MPa，墙底压应力均值分别为-0.518、-0.611及-0.613 MPa。在3种水线工况作用下，坝身下游面、中心面及上游面应力分布状态大同小异，而且上游面相对略高于中心面及下游面。控渗墙底部与顶部的应力均值差异不大，分别为-0.242、-0.271及-0.277 MPa，应力均值表现为墙顶约为墙底的55%。垂向应力的最大值均在坝身底部的上游面附近出现，并且随着水线的下降逐渐降低，分别为-0.534、-0.624及-0.629 MPa。在死水线下，坝身顶部下游面、中心面、上游面的竖垂方向应力值分别为-0.300、-0.278及-0.285 MPa。在常规蓄水线下，坝身顶部下游面、中心面、上游面的竖垂方向应力值分别为-0.341、-0.357及-0.367 MPa；在核校洪期水线下，坝身顶部下游面、中心面、上游面的竖垂方向应力值分别为-0.368、-0.377及-0.384 MPa。因为静水压力较大，在常规蓄水线及核校洪期水线作用下，坝身顶部在顺流向存在向下游牵扯的作用，故在常规蓄水线和核校洪期水线下该坝顶的应力协调性相对较差。在死水线下，作用水头较低，控渗墙静水压力影响减弱，坝顶部所承受得牵扯作用降低，故移位值相对较为接近。

通过相同的分析方法得知，3种水线工况下该控渗墙的小主应力及大主应力均以压力为主而构成，其中仅在山体与坝身接连处极小范围发生了值是0.04 MPa的拉应力，小于弹塑性红黏土混凝土0.19 MPa的抗拉标准强度值。大主应力的最大值分别为-0.058、-0.062及-0.064 MPa，小主应力的最大值分别为-0.527、-0.613及-0.62 MPa。控渗墙最小主应力的最大值为-0.62 MPa，低于案例工程实验测得的抗压强度值1.69 MPa。所以，控渗墙的局部受拉区及受压都处于安全值范围，在不同水线工况作用下，厚度0.3 m的弹塑性红黏土混凝土控渗墙发生损坏的风险性极低。

4 结 语

本文参考工程案例实用数据，借助典型截面有限元模拟分析的方式，对塑性红黏土控渗混凝土基墙与覆盖层蓄水期应力应变关系进行数理模拟分析：①采用邓肯张E-B模型，借助HyperMesh和ABAQUS，建立塑性红黏土混凝土控渗墙与覆盖层蓄水期应力应变关系数理模拟技术模型；②基于数理模型和蓄水工况，对塑性红黏土混凝土控渗墙与盖覆层进行应力应变影响关系计算和分析；③该控渗墙的小主应力及大主应力均以压力为主而构成，3种水线工况下，该控渗墙与盖覆层垂向和顺流向应力应变影响关系以及3种水线工况和3种工位的最小和最大主应力极值均在安全规范值范围内，故厚度0.3 m的弹塑性红黏土混凝土控渗墙发生损坏的风险性极低。