土石坝加高对既有低弹模防渗墙应力及变形影响分析

2022-08-06陈向明邓成发谢中凯

浙江水利科技 2022年4期

郎敏，陈向明，李佳，邓成发，谢中凯

（1.武义县水务局，浙江武义 321200；2.武义县宣平溪水电工程管理处，浙江武义 321200；3.万邦工程管理咨询有限公司，浙江杭州 310020；4.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江杭州 310017；5.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江杭州 310017）

低弹性模量防渗墙由于具有较好的防渗性能和较强的变形协调性，常用于土石坝防渗加固[1-4]，特别是中高坝应用较为广泛，取得较好的加固效果。现阶段由于优秀坝址稀少，同时新建水库投资巨大且时间漫长，常需要十几年甚至几十年时间，利用现有大坝进行加高不失为一种经济可行的方案。针对土石坝加高，国内众多学者进行了相关研究[5-8]，但均未涉及既有防渗墙土石坝的加高工程案例。本文针对典型工程，研究既有防渗墙土石坝加高过程中，防渗墙弹性模量对防渗墙变形及应力的影响，为类似工程提供借鉴和参考。

1 计算模型及参数

1.1 计算模型

某水库为黏土心墙土石坝，最大坝高30 m，上游坡度1：2.00，下游坡度1：1.75，大坝中部混凝土防渗墙厚0.8 m，心墙上、下游坡比为1：0.25，防渗墙入岩深度0.5 m。大坝加高5 m，加高部分采用钢筋混凝土面板与趾板共同作用形成防渗体，河床段趾板直接设于原拦河坝坝顶之上，与原坝体混凝土防渗墙连接。大坝典型断面见图1。

图1 大坝加高断面示意图单位：m

1.2 计算参数

坝体采用邓肯-张E-B 模型（见表1），防渗墙为低弹模防渗墙，采用线弹性模型，弹性模量为分别取2、4、6、8、10 GPa，泊松比为0.2。防渗墙与黏土心墙之间设置Coulomb 摩擦，摩擦系数取0.4，防渗墙与基岩之间为固结灌浆。

表1 大坝填筑材料模型参数表

1.3 加载过程

考虑到坝体施工分层填筑的特点和堆石的非线性特性，荷载采用逐级施加的方式，坝体施工填筑高程每级加载2 m。施工完成后分级蓄水至正常蓄水位180 m。

2 计算结果分析

施工填筑完成后，大坝垂直位移、水平位移分布见图2～3。大坝最大沉降量为12.57 cm，出现在新堆石料内2/3 坝高附近；最大向上游水平位移为1.32 cm，出现在老坝体中部的防渗墙下游侧；最大向下游水平位移为4.65 cm，出现在新堆石料内1/3 坝高附近。监测新填筑体的内部水平位移、垂直位移和防渗墙水平位移时，监测设施应根据计算最大值的位置进行布设。

图2 填筑完成后大坝加高垂直位移云图单位：m

图3 填筑完成后大坝加高水平位移云图单位：m

填筑完成及蓄水后防渗墙最大、最小主应力及位移分布见图4～13。由图4～13 可见：

图4 填筑完成后防渗墙上游侧最大主应力图

（1）填筑完成后，防渗墙上游侧中上部及墙身与基岩交界处表现为受拉状态，且随着墙身弹性模量的增加，最大主拉应力逐渐增大；最小主应力自墙顶至墙底逐渐增大，且随着墙身弹性模量的增加，墙底压应力逐渐增大。最大主拉应力计算值小于低弹模防渗墙允许抗拉强度0.8 MPa，最小主压应力计算值小于抗压强度允许值8.4 MPa。蓄水后，防渗墙上游侧最大主拉应力明显减小，仅在弹性模量较大时，中上部略呈受拉状态；最小主压应力有所减小，压应力极值出现在墙身与基岩交界处。

（2）填筑完成后，防渗墙下游侧最大主应力和最小主应力随墙身弹性模量的增加而增大，当防渗墙弹性模量小于等于6 GPa 时，最大主拉应力极值出现在墙顶以下约6 m 深处；当防渗墙弹性模量大于等于8 GPa 时，最大主拉应力极值出现在墙身与基岩交界处。最小主压应力极值基本出现在墙顶以下约26 m 深的位置。最大主拉应力值和最小主压应力值均小于允许抗拉和抗压强度值。蓄水后，防渗墙下游侧拉应力明显减小，墙身中下部均表现为压应力，仅在弹性模量较大时，墙身中上部有较小的压应力；最小主压应力有所增大，极值点出现在墙身与基岩交界处，但仍小于允许抗压强度。

（3）填筑完成后，防渗墙整体表现为向上游位移，墙身中部位移最大，约为12.0 mm，墙顶向下游位移最大约6.7 mm。蓄水后，墙身整体向下游位移，挠度明显减小，墙顶向下游位移明显增大，最大约为18.7 mm。总体上，防渗墙弹性模量对水平位移影响不大。