中贴式橡胶止水带研究Ⅱ：止水带数值模拟及模型试验

李 蓉，孟 川，周建新，徐 耀，李敬玮，郝巨涛

(1.中国水利水电科学研究院材料研究所，北京 100038；2.北京中水科海利工程技术有限公司，北京 100038；3.中国电建集团海外投资有限公司，北京 100048)

0 引 言

针对中埋式和背贴式橡胶止水带存在的问题[1]，研究提出了一种新型的中贴式橡胶止水带。本系列文章结合某水利水电工程，采用数值模拟方法与模型试验对中贴式橡胶止水带在给定工况条件下(同时承受水压力1.05 MPa、接缝张开20 mm和垂直于止水带U形断面方向剪切15 mm)的工作性态进行研究。在笔者系列论文的第一部分[1]中，通过T型橡胶条的拉拔试验以及数值模拟，建立了橡胶条数值分析模型，较好地模拟T型橡胶条拉拔试验的全过程以及破坏模态，且数值分析结果具有一定的安全裕度，能够用于中贴式橡胶止水带的数值模拟分析。

本文继续介绍系列论文的第二部分，首先开展设计厚度的中贴式橡胶止水带的数值模拟分析；在此基础上，进行了针对橡胶止水带厚度以及橡胶和混凝土之间摩擦系数的敏感性分析；最后开展了模型试验，验证了设计厚度的中贴式橡胶止水带在给定工况下的实际工作性能，为工程进行止水带设计提供依据。

1 止水带数值分析

1.1 止水带建模

设计厚度(厚8 mm)的中贴式橡胶止水带的断面几何形状尺寸见图1。为了提高计算效率，对截面的几何形状进行了适当的简化(见图2)，取消了橡胶止水带的齿形部分，稍微低估了橡胶止水带的整体嵌固能力，从而得到偏保守的结果，可作为橡胶止水带的安全储备。

图1 中贴式橡胶止水带断面(单位：mm)

图2 简化后的止水带断面

图3给出了止水带的三维模型，图4给出了简化后的混凝土表面三维模型。止水带数值模拟中橡胶和混凝土的模型及相关参数参照笔者系列论文的第一部分[1]。橡胶止水带与混凝土表面的网格分别见图5和图6。采用的边界条件包括：橡胶止水带顶部施加强迫位移，混凝土单元施加刚体约束，混凝土和橡胶的相互作用采用接触来模拟，混凝土和橡胶之间的摩擦系数为0.3。

图3 止水带三维模型

图4 混凝土表面三维模型

图5 止水带网格

图6 混凝土表面网格

具体加载过程为：①在混凝土左边部分施加10 mm的张开位移和7.5 mm的剪切位移；②在混凝土右边部分作类似操作，最终保证两部分混凝土总的张开位移之和为20 mm，剪切位移为15 mm；③当张开和剪切位移达到设计要求后，在橡胶止水带内表面逐步施加水压力直至达到1.05 MPa。

1.2 数值模拟分析结果

图7和图8分别给出了止水带U形端部的米塞斯应力和最大拉应力云图。止水带最大米塞斯应力和最大拉应力均出现在止水带的U形端部。在给定工况下，最大米塞斯应力为9.8 MPa，最大拉应力为9.7 MPa，均小于最大容许应力值10 MPa，止水带工作性能满足要求。根据前面分析可知，本研究中数值分析结果偏保守，实际中应具有一定的安全裕度。

图7 止水带U形端部米塞斯应力分布

图8 止水带U形端部最大拉应力分布

1.3 敏感性分析

本文还进行了针对橡胶止水带厚度以及橡胶和混凝土之间摩擦系数的敏感性分析。为了提高中贴式橡胶止水带的安全性，可以通过增加橡胶止水带厚度来增强抵抗水压力能力或者通过增大橡胶止水带和混凝土基面之间的摩擦来增强抗拉拔能力。该研究在橡胶止水带8 mm厚度基础上，进一步考虑了10、12 mm两种厚度的橡胶止水带；橡胶和混凝土之间的摩擦系数μ从0.3变化到0.4，覆盖了常见的取值范围。

表1给出了橡胶止水带厚度和摩擦系数以及最大应力之间的对应关系。从表1可知，增加橡胶止水带的厚度，能有效降低中贴式橡胶止水带中的最大应力；在橡胶止水带比较薄时，增大橡胶和混凝土面之间的摩擦也能降低中贴式橡胶止水带中的最大应力，但随着橡胶止水带厚度增加，摩擦系数的影响逐渐变小。采用10 mm或12 mm厚度的中贴式橡胶止水带对应的最大拉应力分别为6.50 MPa和5.74 MPa，远小于最大容许应力值10 MPa，不仅能满足设计工况要求，而且具有较大的安全裕度。

表1 橡胶止水带厚度和摩擦系数以及最大拉应力之间的对应关系

2 止水带模型试验

2.1 模型试验设计

根据上述的数值分析结果，采用8 mm厚度的中贴式橡胶止水带能满足设计工况的要求。制作成型的8 mm厚度的中贴式橡胶止水带样品见图9，止水带浇筑埋入C25混凝土试块见图10，接缝张开和剪切变形示意见图11，抗渗模拟试验装置示意见图12。

图9 止水带样品

图10 止水带抗渗模拟试块

图11 接缝张开和剪切变形的示意

图12 抗渗模型装置示意

2.2 模型试验过程及结果

将中贴式橡胶止水带抗渗模型试块接缝先张开20 mm，然后剪切错动15 mm；再将张开和剪切错动变形后的试块放入加压模型中，固定并密封边缘。试验过程中，逐步加压至1.05 MPa，并保压168 h，没有发生渗漏现象，可以满足工程要求。

3 结 论

综上，数值模拟结果表明，在给定工况下(同时承受水压力1.05 MPa、接缝张开20 mm和垂直于止水带U形断面方向剪切15 mm)，采用8 mm厚的中贴式橡胶止水带的最大米塞斯应力为9.8 MPa，最大拉应力为9.7 MPa，均小于最大容许应力值10 MPa，止水带工作性能满足要求，考虑本研究中数值分析结果偏保守，实际中应具有一定的安全裕度。

敏感性分析结果表明，增加橡胶止水带的厚度，能有效降低中贴式橡胶止水带中的最大应力；在橡胶止水带比较薄时，增大橡胶和混凝土面之间的摩擦也能降低中贴式橡胶止水带中的最大应力，但随着止水带厚度增加，摩擦系数的影响逐渐变小。采用10 mm或12 mm厚度的中贴式橡胶止水带对应的最大拉应力分别为6.50 MPa和5.74 MPa，远小于最大容许应力值10 MPa，不仅能满足设计工况要求，而且具有较大的安全裕度。

在数值分析结果基础上，进一步开展了8 mm厚的中贴式橡胶止水带的模型试验，结果表明，中贴式橡胶止水带在给定工况下未发生渗漏，可以满足工程要求。