填筑土坝碾压振动对塑性混凝土防渗心墙影响的研究

白晓飞，陆 通，李 星，王红雨，张广招

（1.宁夏水利水电工程局有限公司，宁夏 银川 750001；2.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021）

振动碾压是填筑土石堤坝、处理浅部地基的常用方法，对砂土、粉土和粉质黏土等陆相沉积物碾压效果较好。金书滨等[1]通过埋设土动力盒对大吨位振动压路机的动力响应进行分析，并依据动土应力值的变化规律，给出了填石路基的最佳碾压参数。夏玉云等[2]以吹填珊瑚砂为研究对象，开展了振动碾压对吹填珊瑚砂地基工程特性影响的试验研究，分析了不同碾压遍数下吹填珊瑚砂地基的承载特性和评价方法。李泽闯等[3]利用土石路堤三维数值模型模拟了振动荷载作用下的路堤动力响应，分析了振动压路机对路基的压实效果及影响深度。而土石坝填筑施工中，则普遍采用振动碾压机械设备压实各类土料[4-6]。与此同时，振动碾压施工产生的动力波引起周围建筑物的损伤是土木与水利工程施工过程中遇到的一个普遍问题。陈爱军等[7]通过测试不同碾压工况下涵洞各测点的振动加速度，分析了涵洞各部位的振动变化特性，研究了大功率振动压路机对涵洞的影响。舒大强等[8]以三峡茅坪溪土石坝为研究对象，测试了坝体填筑碾压振动对沥青混凝土防渗心墙的影响，认为采用17.5 t的振动碾压实距离沥青混凝土防渗心墙较远的坝壳砂砾料，采用2.7 t的振动碾压实距离沥青混凝土防渗心墙较近的过渡料的施工方案，不会对沥青混凝土防渗心墙造成损伤。但是，对于填筑土料的变化、施工方案的不同及碾压机械性能的差异，还需要根据实际工程进行有针对性的研究与分析。刘光明等[9]建立了三维数值模型，模拟分析了大宁水库防渗墙随回填施工过程的应力及变形分布规律与特性，但该文献未涉及回填施工机械特性以及临近防渗墙的动力响应。碾压振动与强夯振动不同[10]，对于采用混凝土墙防渗的土石坝而言，土坝填筑与塑性混凝土防渗心墙同时施工，填筑坝体碾压振动对施工期的混凝土防渗心墙的影响，还缺少系统、深入的理论与试验研究。

由黏性土料填筑的均质坝的动力传播有别于以砂砾石为主的土石坝或以块石料为主的堆石坝。本文以宁夏南部黄土丘陵山区的何家沟塑性混凝土防渗心墙均质土坝为研究对象，根据该工程施工方案，建立数值模型，模拟计算了填筑土坝施工时碾压振动对塑性混凝土防渗心墙的影响规律，并与混凝土防渗心墙质量监测数据进行了对比分析，提出了相应的施工建议。

1 何家沟水库工程

1.1 工程概况

固原市何家沟黄河水调蓄工程是从固海扩灌十二干渠中段南城拐子泵站处取水，利用固海扩灌系统在灌溉低峰期蓄水、灌溉高峰期向灌区供水，旨在解决固原市原州区清水河河谷川地发展现代农业高效节水灌溉的水资源配置工程，工程受水区为原州区黄铎堡镇、三营镇、头营镇、彭堡镇、中河乡5个乡镇。何家沟水库在原有的何家沟水库库址建设，新坝轴线位于老坝轴线上游110 m处，坝址以上集水面积10.9 km2，总库容997万m3，主要由主坝及入库、出库输水建筑物组成。其中：主坝为碾压式均质土坝，坝顶轴线长495 m，最大坝高64 m；进水建筑物布置在左坝肩，总长240 m，单跨长度10 m，共24跨，总跌差46 m，设计比降1∶5；输（泄）水建筑物主要由输（泄）水塔、输（泄）水隧洞、流量控制室、泄水管线及消能建筑物组成，采用有压设计，圆形断面，内径2 m，长428 m；取水泵站及供水管道位于南城拐子泵站旁（东侧），泵站设计流量3 m3/s，净扬程171.22 m，选配4台机组，管道采用DN1 600 mm钢管，总长度5.4 km。

何家沟水库坝顶高程1 754.0 m，坝体填筑总量为340万m3。填筑土料源为水库附近料场的粉质黏性土（黄土），坝体回填土压实度要求不小于0.98，坝顶宽8.0 m，分别在高程1 717.0，1 737.0 m的迎水坡面和背水坡面处各设置一级马道，马道宽度4.0m。迎水面坝坡坡比由上往下分别为1∶3.0，1∶3.25，1∶3.5，背水面坝坡坡比由上往下为1∶2.5，1∶2.75，1∶3.0。大坝防渗采用塑性混凝土防渗心墙，坝基桩号0+091.5～0+517.5段黄土层下部有9.5～15.0 m厚的新近系干河沟组（N2g）砾岩，属于中等透水层，透水性指标为13～55 Lu；以下为微风化泥岩，透水性指标为1.3～5.3 Lu，设计按5 Lu控制。混凝土防渗心墙最深47.10 m，平均25.18 m，墙厚0.6 m，防渗心墙总面积11 165.54 m2。设计指标水力梯度J＞100，渗透系数K＜10 cm/s，28 d抗压强度≥5.0 MPa，28 d弹性模量≤2.5×103MPa。槽孔孔位偏差控制在30 mm内，孔斜率控制在40以内。防渗心墙施工布置见图1。

图1 防渗心墙施工布置图

1.2 坝体填筑和防渗心墙施工方案

土坝填筑施工的土料采用挖掘机在土料制备场装料，20 t自卸汽车运输至作业面，采用进占法卸料，推土机摊铺、整平，20 t振动碾压实，碾压方向与坝轴线平行，错距法碾压。

混凝土防渗心墙施工的主要流程：C20混凝土导向墙施工，槽段划分、泥浆固壁与槽段开挖，混凝土浇筑等施工过程（图2）。

图2 混凝土防渗心墙施工示意图

由于该工程塑性防渗心墙强度低，振动碾压可能会影响临近的防渗心墙施工质量，引起心墙裂缝，破坏心墙防渗功能，造成水库渗漏。因此，需要对振动荷载下坝体及防渗心墙的受力特性进行评估，这里采用数值模拟方法进行相关计算分析。

2 数值模型的建立

本文采用通用岩土有限元计算软件Plaxis 2D，参考何家沟水库实际施工组织设计方案，在坝体填筑至10 m时（2020年7月15日施工），对振动碾压荷载作用下防渗心墙的受力特性进行数值模拟，分析振动碾压荷载作用时，坝体位移、应力的变化规律，数值计算模型如图3所示。

图3 数值计算模型

岩土体模型选取小应变土体硬化模型（HSS模型），相比于摩尔-库伦模型，该模型可以考虑土体在振动荷载作用下的循环剪切特性、不可逆特性及能量耗散特性。为了模拟土体的阻尼特性，本模型利用瑞利阻尼系数来考虑土体由材料阻尼引起的阻力。对于在Plaxis 2D软件的材料属性中设定土体的瑞利阻尼系数，只需在材料数据组中设定目标阻尼比ξ和目标频率f，软件便会自动计算瑞利阻尼系数Rayleighα和Rayleighβ。在软件单自由度等效框中两个目标的参数ξ均为5%，目标1和目标2的频率值设为9和11，计算出瑞利阻尼系数α和β值。岩土体材料见表1。

表1 岩土体材料力学参数

将混凝土防渗心墙简化为悬臂梁，底部固定，上部为自由端，采用Plaxis 2D软件中的板单元对防渗心墙进行模拟，材料模型为线弹性，具体参数取值见表2。

表2 混凝土防渗心墙参数

计算分4个阶段，在分步施工模式中定义如下：

（1）初始阶段：程序默认在阶段浏览器添加了初始阶段，本模型使用默认的设置。

（2）阶段1：激活基础，并激活分布荷载的静力部分。

（3）阶段2：施加垂直方向简谐波，振动简谐波模拟频率为50 Hz，振幅350 m/s2。总的时间间隔为0.2 s。

（4）阶段3：取消振动荷载作用，坝基及防渗心墙发生自由振动。设置动力时间间隔为0.2 s。在分步施工模式中冻结动力荷载，但是静力荷载仍然处于激活状态。

由于土是半无限介质，因此需要定义特殊的边界条件。如果没有这些特殊的边界条件，振动波将在模型边界上发生反射，造成扰动。为了避免这种不真实的反射，要在Xmin，Xmax，Ymin处指定黏性边界。在模型浏览器的模型条件下的动力子目录中指定动力边界条件。

3 结果与分析

本节对振动碾压荷载作用下新填坝体和塑性混凝土防渗心墙进行数值模拟计算，分别从施加振动荷载（静压+振动碾压，坝体及防渗心墙发生受迫振动）和卸载振动荷载（静压，坝体及防渗心墙发生自由振动）进行讨论。

3.1 新填坝基变形特点

图4为振动荷载作用点处土体的加速度时程曲线图。由图4可知，其加速度与施加的振动荷载变化趋势一致，说明了所建模型的合理性。

图4 加速度时程曲线图

新填筑坝基位移场变化见图5。由振动荷载作用时位移场分布规律可知：施加碾压机静压荷载时，坝基的位移呈现典型的凸型分布；随着振动荷载的施加，新填坝基呈现由荷载作用点向远处波形传播，主要影响范围为作用点到防渗心墙之间的这段范围，防渗心墙背后范围内振动荷载对坝体位移变化影响相对较小；防渗心墙上部位移首先增加，由此可以推断振动荷载引起心墙振动是从上部开始，逐渐向下部延伸，最后整个心墙发生振动；振动荷载卸载时新填筑坝基及防渗心墙发生振动，各部分振动位移发生衰减，且位移值均小于振动荷载施加时的大小。

图5 坝基总位移云图

振动加速度是振动力变化的直观体现。由图6可知：振动荷载加载时，振动力呈弧形向右传播，首先到达防渗心墙上部（图6a），由于防渗心墙刚度大于土体的刚度，整个坝基在心墙部分发生了应力集中现象（图6b）。心墙背后的振动力相对较小，呈现波的形式向远处扩散，因此振动碾压荷载对心墙的影响不能忽略。

图6 振动荷载加载时坝基加速度变化云图

3.2 防渗心墙受力分析

本节对防渗心墙受力特性进行提取分析，分析结果见图7～图11。由图7可知，振动荷载刚加载时，心墙上部轴力为正值，下部为负值，说明振动荷载刚加载时产生的纵波对心墙有明显的挤压作用，土体振动密实后向下变形对防渗心墙产生了向下的负摩阻力。图8为振动荷载卸载时防渗心墙的轴力分布图。由图8可知：振动荷载刚卸载时，整个心墙轴力的分布与加载结束时的分布相似，且刚卸载时的轴力值大于加载结束时的轴力值；t=0.30 s时，心墙的轴力分布与刚加载时的轴力分布相似，上端轴力为正值，下端轴力为负值；t=0.32 s时，心墙的轴力分布发生突变，整个心墙的轴力为负值，且在其下端出现极大值，随后轴力逐渐减小，轴力分布和加载结束时相似，且轴力的极大值仍在心墙的下端。

图7 振动荷载加载时防渗心墙轴力分布图

图8 振动荷载卸载时防渗心墙轴力分布图

图9为振动荷载加载时混凝土防渗心墙剪力分布图，图10为振动荷载卸载时防渗心墙的剪力分布图。由图9可知，振动荷载加载时，首先心墙顶部产生正的剪力，底部产生较大的负剪力，说明振动在横向主要是面波，对心墙的上部有挤压作用；t=0.10 s时，整个心墙的剪力分布发生突变，从上到下呈现左右交替的分布形式且在心墙下部出现极大值，随后剪力逐渐减小趋于稳定。由图10可知，振动荷载卸载时，剪力在一开始呈现左右交替分布的形式，且在心墙下端出现正的极大值2.396 kN，随后剪力逐渐减小，且心墙下端剪力值变为负的极大值-1.745 kN。

图9 振动荷载加载时防渗心墙剪力分布图

图10 振动荷载卸载时防渗心墙剪力分布图

振动荷载加载和卸载时，防渗心墙弯矩分布规律如图11～图12所示。由图11～图12可知：t=0.02 s时，在心墙底部首先产生弯矩，随后向上延伸，整个心墙分布着不同方向的弯矩，随后弯矩逐渐增大，且在t=0.20 s时，达到负的极大值-0.855 4 kN·m；振动荷载卸载时，心墙弯矩先减小再增大，且t=0.32 s时心墙的下端出现负的极大值-0.432 4 kN·m，该极值小于加载时的弯矩极值，随后弯矩逐渐减小至稳定分布，变化规律相较于加载时具有明显的滞后性。

图11 振动荷载加载时防渗心墙弯矩分布图

图12 振动荷载卸载时防渗心墙弯矩分布图

3.3 数值模拟结果与施工监测数据的对比分析

施工期间，在土坝防渗心墙上下游1.5 m处5个断面上安装14套测压管，监测坝基防渗心墙渗流情况。测压管水头高度为0～23.46 m，月变化量为-1.05～1.99 m，施工期间未注水，土坝各断面测压管水头压力略有增加趋势，但基本处于稳定状态，桩号为0+290监测断面坝基测压管监测成果见表3、表4和图13。施工结束后，委托第三方对桩号为0+368和0+388位置处的防渗心墙钻孔进行压水试验，桩号0+368的渗透系数检测值为1.71×10-9m/d，桩号0+388的渗透系数检测值为1.58×10-8m/d，均满足设计要求。这表明施工单位制定的土坝填筑和混凝土防渗心墙的施工方案合理，施工质量有保障。

表3 土坝0+290监测断面坝基测压管监测信息表

表4 土坝0+290监测断面坝基测压管监测成果表

图13 土坝0+360监测断面坝基防渗心墙上下游渗压计变化过程线

4 结论与建议

本文从振动碾压机械在土坝填筑时遇到的实际问题出发，对碾压振动荷载作用下塑性混凝土防渗心墙的受力状态进行了有限元数值计算，得到如下结论和建议。

（1）碾压振动波首先到达防渗墙上部，由于刚度的差异，防渗墙出现应力集中现象，防渗墙的顶部最先出现位移，然后逐渐向下部延伸。因此应控制碾压机械作业范围与心墙的距离，计算结果显示，10 m以外的距离为安全距离。安全距离以内，建议采用静压或人工压实的方法处理。

（2）振动荷载作用时，首先在心墙底部产生弯矩，随后向上延伸，整个心墙分布着不同方向交替的弯矩；振动荷载卸载时，心墙弯矩先减小后逐渐增大，最后再减小，整个变化过程具有明显的滞后性。建议在坝体碾压时，增设振动荷载作用的安全性评估，结合CT扫描技术重点检测防渗心墙的底部和心墙的反弯点的变形特征。

（3）结合何家沟水库具体施工情况，根据振动速度衰减公式，可将防渗心墙的振动控制标准确定为1.0 cm/s，并选取0.85 cm/s作为预警值。当振动超过预警值时，应及时分析振动速度较大的原因，排除不安全因素，以确保施工过程中防渗心墙的安全。在坝体填筑区大面积振动碾压施工的过程中，还应根据防渗心墙的振动速度监测结果，合理调整碾压设备型号，确保防渗心墙的安全。