土石坝防渗墙特性参数对坝体稳定性影响分析

白生贵

（吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司，新疆 吐鲁番 838000）

1 引言

防渗墙是一种有效的水力大坝的防渗手段，具有施工简便和防渗性能好的优点，既有研究主要集中于防渗墙的防渗效果及渗流规律。崔熙灿等基于有限元数值模拟系统研究了沥青混凝土心墙及坝基防渗墙应力及变形规律。崔宏伟基于数值模拟系统研究了大坝防渗墙不同的特征参数对坝体稳定性的影响。韩勇基于Geo-slope/seep 模块建立数值计算模型，系统分析了土石坝防渗墙在不同深度下坝体内的渗流规律。邹福华基于三维渗流原理，系统研究了地质构造影响下的渗透与应力变形规律。刘菊莲基于ANSYS数值有限元研究了防渗墙对某水库地下渗流场影响规律。张富有等基于随机有限元系统研究了参数空间变异性下坝基防渗墙地震反应。

防渗墙特征参数是影响坝体稳定的的主要因素，因此，如何科学的选取防渗墙参数是目前研究的重点，基于此，建立数值计算模型，系统研究了弹性模量、心墙厚度及心墙位置对坝体稳定性的影响。研究可以在大坝除险加固中提供参考。

2 数值模型

2.1 模型概述

研究的土石坝为带混凝土防渗墙的土石坝。该大坝的坝基分为三层，第一层为覆盖层，厚度为5 m；第二层为强风化基岩层，厚度为10 m，第三层为弱风化基岩层，厚度为10 m。模型的边界条件为防渗墙为完全不透水层，边界为墙体。假定河水流向为X轴，与河水流向垂直的为Y轴。见图1。

图1 大坝典型剖面图

2.2 数值计算模型参数

根据研究内容及室内土工试验，汇总得到文中数值计算中个材料参数的取值见表1 所示。其中岩土体计算本构假定为摩尔-库伦本构，混凝土防渗墙采用各向同性线弹性本构模拟。

表1 材料物理力学参数汇总表

3 结果与分析

3.1 防渗墙弹性模量对坝体稳定性的影响

分别计算了防渗墙弹性模量为35、25、15 GPa 和1 GPa 工况下坝体的变形和内力分布规律见表2。图2（a）为混凝土弹摸为15 GPa的结果汇总。表明，在该种工况下，坝体位移随高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趋势呈曲线增大，而y方向的位移基本为零。其中x 方向最大位移出现在墙顶的15 mm。图2（b）表明，坝体第一主应力的变化随坝体高程表现出折线增大的趋势。最大第一主应力出现在高程为35 m的位置，最大值为0.10 MPa，但在高程为10 m 位置出现最大拉应力，最大值为-0.70 MPa。但该拉应力最大值小于混凝土强度值，坝体时稳定的。图2（c）结果表明，坝体第三主应力随高程变化趋势基本与第一主应力变化趋势相同。第三主应力的最大值出现在墙顶位置，最大值为-1 MPa，而在高程为10 m位置处，第三主应力发生突变，该处第三主应力的最大值为-0.70 MPa。第三主应力均为压应力，但仍小于混凝土极限抗压强度。综合来看，混凝土防渗墙以受压为主，当混凝土弹性模量为15～25 GPa时，坝体是安全的。

表2 弹性模量对坝体稳定性影响表

图2 防渗墙模量对坝体稳定性的影响图

3.2 防渗墙厚度对坝体稳定性的影响

分别计算了防渗墙厚度为0.40、0.60、0.80 m和1 m工况下坝体的变形和内力分布规律见表3 所示。图2（a）为混凝土防渗墙厚度为0.60 m的结果汇总。表明，在该种工况下，坝体位移随高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趋势呈曲线增大，而y 方向的位移基本为零。其中x 方向最大位移出现在墙顶的18 mm。图2（b）表明，坝体第一主应力的变化随坝体高程表现出折线增大的趋势。最大第一主应力出现在高程为35 m的位置，最大值为0.10 MPa，但在高程为10 m位置出现最大压应力，最大值为-0.70 MPa。但该压应力最大值小于混凝土强度值，坝体时稳定的。图2（c）结果表明，坝体第三主应力随高程变化趋势基本与第一主应力变化趋势相同。第三主应力的最大值出现在墙顶位置，最大值为-0.10 MPa，而在高程为10 m位置处，第三主应力发生突变，该处第三主应力的最大值为-0.70 MPa。综合来看，防渗墙以受压为主，且防渗墙的厚度越大，第三主应力的绝对值越小，大坝越安全。

表3 防渗墙厚度对坝体稳定性影响表

3.3 防渗墙位置对坝体稳定性的影响

分别计算了防渗墙位置为2、4、6 m和8 m工况下坝体的变形和内力分布规律。图2（a）为防渗墙距离上游坝顶6 m 工况下的结果汇总。表明，在该种工况下，坝体位移随高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趋势呈曲线增大，而y 方向的位移基本为零。其中x方向最大位移出现在墙顶的20 mm。图2（b）表明，坝体第一主应力的变化随坝体高程表现出折线增大的趋势。最大第一主应力出现在高程为35 m 的位置，最大值为0.10 MPa，但在高程为7 m位置出现最大拉应力，最大值为-0.90 MPa。但该拉应力最大值小于混凝土强度值，坝体是稳定的。图2（c）结果表明，坝体第三主应力随高程变化趋势基本与第一主应力变化趋势相同。第三主应力的最大值出现在墙顶位置，最大值为-1 MPa，而在高程为7 m位置处，第三主应力发生突变，该处第三主应力的最大值为-5.20 MPa。综合来看，防渗墙距上游坝顶距离越小，第三主应力绝对值越小，压应力越小，防渗墙越较安全。

4 结论

①当混凝土防渗墙的弹性模量为15 GPa时，坝体位移随高程的增大而增加。且x 方向的位移增加趋势呈曲线增大，而y方向的位移基本为零。混凝土防渗墙以受压为主，当混凝土弹性模量15～25 GPa时坝体安全。②坝体第一主应力和第三主应力随高程变化表现出波动变化趋势。随防渗墙的厚度越大，第三主应力的绝对值越小，大坝越安全。③防渗墙距上游坝顶距离越小，第三主应力绝对值越小，压应力越小防渗墙越稳定。