再生塑性混凝土防渗墙在某大坝除险加固工程中的应用

张 兵，孙娟娟

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064)

随着我国城镇化建设进程的不断加快，建筑废弃物的数量也迅速递增，而制备再生骨料是解决建筑废弃物的重要手段[1]。塑性混凝土是强度介于普通混凝土和黏土之间的一种新型柔性材料，具有强度低、弹性模量小、极限变形大、渗透系数低等诸多优势，将其用于大坝防渗墙建设可以更好适应土体变形，大幅减少应力集中[2]。将再生骨料用于塑性混凝土防渗墙建设，不仅可以弥补再生骨料的材料劣势，还可以大幅降低塑性混凝土的制造成本，提高塑性混凝土的应用价值[3- 9]。

1 工程背景

某水库是一座以防洪为主，兼有灌溉的中型水库。水库的原设计标准为50年一遇洪水，校核洪水标准为300年一遇，主要建筑物级别为3级。由于水库原设计标准不高，加上多年的运行缺乏有效维护，病险情况日益严重。在96大洪水中，水库的各建筑物均遭受到不同程度的破坏，亟待进行除险加固。水库大坝分为主坝和副坝，主坝原坝高48m，坝长173m，坝顶宽10m，属于心培土石坝。加固后的大坝主坝高62m，坝顶长201m，坝顶宽10m，坝体的下游坝利用玄武岩石渣料，上游1065m高程以采用粘土料，以上为玄武岩风化料。大坝的上下游坝坡均采用混凝土预制块护坡。坝体下设防渗墙，采用帷幕灌浆进行坝基的基础防渗。本次研究的计算剖面选取的是桩号为0+080的大坝主坝横断面。该剖面的坝体主要由原坝体以及除险加固过程中的新建坝体两部分组成。主要结构包括原坝体的上游和下游坝壳，原坝体的粘土心墙、斜心墙、堆石排水体，除险加固后的上下游坝壳、堆石排水体、混凝土防渗墙和帷幕灌浆体以及大坝主坝的砂卵砾石层、坝基基岩、强风化基岩和断层破裂带。其断面的基本结构如图1所示。

2 MIDAS有限元计算模型

2.1 软件简介

MIDAS GTS NX软件是韩国MIDAS IT公司开发的三维有限元分析软件，其界面完全汉化，便于我国学者学习和使用[10- 11]。该款软件集合了诸多三维有限元软件的优势，并进行了操作和分析方法创新，诸多大型工程的运用结果证明了其结果的准确性和可靠性。MIDAS有限元软件提供了13种本构模型。鉴于本次研究仅可以获得粘聚力、内摩擦角和重度等主要计算参数，因此选取弹性和莫尔-库仑模型作为主坝坝体的本构模型。

2.2 计算模型的构建

水库大坝的主坝二维渗流采用MIDAS三维有限元软件中的GTS模块。计算模型的横断面网格划分如图2所示。模型长450m，宽185m，底部高程取973m，坝顶计算高程为1076m.模型一共划分为201673个计算单元，124858个计算节点，以主坝坝体下部的基岩为相对隔水层。研究中以除险加固工程设计前期的地质勘测资料以及相关工程数据确定大坝各部分材料的计算参数。其中，防渗墙所使用的塑性混凝土强度和渗透系数之间为正比关系，因此直接使用塑性混凝土渗透系数作为再生塑性混凝土的渗透系数。

图1 大坝主坝计算断面结构示意图

图2 计算剖面网格划分示意图

2.3 计算工况设计

为了通过数值模拟分析获取塑性混凝土和普通刚性混凝土防渗墙对大坝防渗效果以及土体应力的影响，本次研究设置了两种模拟工况。其中工况一为使用普通刚性混凝土进行防渗墙建设；工况二为利用再生塑性混凝土进行防渗墙建设。

2.4 模型的验证

大坝的计算剖面设置有ZU1-ZU5 5个测压管，其具体布置如图1所示。在模型验证过程中利用上述5个测压管在除险加固工程施工前的2016年的监测数据进行验证计算。模型计算结果与监测的真实水位数据对比见表1。由表1计算结果可知，模型计算结果与实际监测数据比较吻合，说明模型计算数据可靠，可以用于后续计算研究。

表1 测压管实际值和计算值对比

3 计算结果与分析

3.1 大坝变形分析

利用构建的三维有限元模型对两种不同工况下的大坝位移变形进行数值模拟计算，如图3—4所示。由计算结果可知，在工况一条件下，在新建的大坝粘土心墙以及原上游坝壳和抛土部位会产生较大的竖向位移，最大位移量为112mm，位于新建斜心墙上部；最大水平位移产生于原上游坝壳部位，为103mm。在工况二条件下，大坝的水平位移值和产生的位置基本相同，最大位移量为101mm，最大竖向位移也分布在斜心墙部位，为93.5mm，相比工况一有明显减小。

图3 工况一位移云图

图4 工况二位移云图

3.2 大坝应力分析

利用构建的三维有限元模型对两种不同工况下的大坝应力及分布进行数值模拟计算，如图5所示。在工况一条件下，土体在与大坝心墙、防渗墙以及基岩交界处的主应力较大，而最大值位于心墙、基岩和土体结合部，最大值为0.74MPa。混凝土心墙内部的主应力自上而下逐渐增大，但是进入基岩后则迅速减小，最大值为5.78MPa。由此可见，由于材料之间在弹性模量上的巨大差异，是主应力产生的主因。

在工况二条件下，主应力的分布特征与工况一基本相同。土体主应力的最大值位于心墙、基岩和土体结合部，最大值为0.63MPa，混凝土心墙内部的主应力最大值为4.16MPa。相比工况一，再生塑性混凝土防渗墙产生的主应力有所下降。就其原因，主要是塑性混凝土与周围土体的协调变形作用明显，有效减少和约束了主应力的产生。

图5 应力云图

3.3 大坝渗流分析

利用构建的模型对工况一条件下的浸润面、孔隙压力和流线进行计算。由计算结果可知，大坝上游库水位经过斜心墙和防渗墙部位时，浸润线的位置急剧下降，之后有所抬升，最终缓慢下降至排水棱体，防渗墙下游的浸润线与上游相比呈现出断崖式下降态势。从孔隙压力来看，斜心墙、防渗墙与防渗帷幕组成的防渗系统前的孔隙水压力等势线呈平行分布状态，位置越低，孔隙水压力越大；防渗系统后的孔隙水压力等势线也呈平行状态但有一定的倾斜，且浸润线上方的孔隙水压力为负值。从大坝内部的流场分布来看，多数没有经过防渗墙。总之，混凝土防渗墙可以起到良好的防渗作用，具有显著的防渗效果。

利用构建的模型对工况二条件下的浸润面、孔隙压力和流线进行计算。由计算结果可知，在更换为再生塑性混凝土之后，大坝主坝的浸润线、流线分布以及孔隙水压力分布变化不大，说明与刚性混凝土相比，再生塑性混凝土防渗墙也可以获得良好的防渗效果。

对两种工况下的水利坡降进行计算，结果见表2。由表格中的计算结果可知，工况二下大坝主坝各部位的水力坡降比工况一稍小，说明再生塑性混凝土防渗墙可以满足大坝主坝不同部位的水力坡降允许值，不会造成管涌破坏。

表2 不同工况水力梯度计算结果

4 结论

将建筑废弃物制备成再生骨料加以利用是建筑垃圾处理的有效方法。再生骨料的吸水率大、孔隙比大以及抗压强度低等缺陷限制了其再生利用，但是在塑性混凝土领域具有较高的可行性。文章以某水库大坝防渗墙建设为例，探讨了再生塑性混凝土在防渗墙建设领域的可行性，并得出以下结论：

(1)使用再生塑性混凝土的条件下，大坝的水平位移值和产生的位置与刚性混凝土条件下基本相同，最大位移量有明显减小。

(2)相对于刚性混凝土，防渗墙使用再生塑性混凝土条件下的大坝主应力的分布特征基本相同，主应力值有所下降。

(3)防渗墙在使用再生塑性混凝土情况下，大坝主坝的浸润线、流线分布以及孔隙水压力分布变化不大，可以获得良好的防渗效果；主坝各部位的水力坡降有一定减小且满足主坝不同部位的水力坡降允许值，不会造成管涌破坏。

(4)模型计算结果显示，防渗墙使用再生塑性混凝土完全满足施工要求，同时还可以显著降低施工成本，具有一定的推广价值。