深厚覆蓋層壩基防滲墻應(yīng)力和變形特性試驗(yàn)研究

深厚覆蓋層壩基防滲墻應(yīng)力和變形特性試驗(yàn)研究

在深層覆蓋層修建土壩時(shí)，通常采用混凝土防滲墻、窗簾填充等措施進(jìn)行垂直滲透，切斷地下滲流通道，最大限度地減少滲流損失，確保水庫(kù)底部的抗?jié)B穩(wěn)定性。1工程概況及覆蓋層的地質(zhì)條件下坂地水利樞紐工程位于新疆葉爾羌河主要支流之一的塔什庫(kù)爾干河中下游,水庫(kù)總庫(kù)容8.67億m2直接剪切試驗(yàn)為了確定防滲墻結(jié)構(gòu)與覆蓋層土體之間接觸面的相關(guān)參數(shù),本研究進(jìn)行了粗粒土與結(jié)構(gòu)面之間在夾有泥皮的情況下的直接剪切試驗(yàn)。為了得到與實(shí)際狀態(tài)接近的泥皮,試驗(yàn)?zāi)M了泥漿在粗粒土中的滲透過(guò)程,對(duì)一定級(jí)配的粗粒土試樣的兩側(cè)施加壓力差,使泥漿從試樣的一側(cè)向另一側(cè)滲透,將滲透形成的泥皮作為直接剪切試驗(yàn)的泥皮,并將其置于粗粒土與混凝土試塊之間,進(jìn)而通過(guò)試驗(yàn)確定接觸面的相關(guān)參數(shù)。2.1苗木滲透試驗(yàn)考慮到該工程壩基覆蓋層深度大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,為了近似地模擬覆蓋層粗粒土粒徑差異大、級(jí)配不良的情況,采用8組顆粒級(jí)配不連續(xù)的粗粒土試樣,在最密實(shí)的狀態(tài)下進(jìn)行泥漿滲透試驗(yàn),各組試驗(yàn)采用相同的泥漿黏度、滲透壓差和滲透時(shí)間,以確保泥皮形成的外界條件相同。滲透過(guò)程中會(huì)在粗粒土試樣的一側(cè)形成一定厚度的泥皮。試驗(yàn)結(jié)束后,取出泥皮附近區(qū)域的粗粒土試樣,并將其作為直接剪切試驗(yàn)的粗粒土材料,防滲墻材料采用預(yù)制混凝土試塊,將泥漿滲透過(guò)程中形成的泥皮放置于粗粒土試樣與預(yù)制混凝土試塊之間,根據(jù)本次泥漿滲透試驗(yàn)所形成泥皮的情況以及文獻(xiàn)2.2粗粒土級(jí)配對(duì)接觸面力學(xué)性質(zhì)的影響表1列出了各組試驗(yàn)中粗粒土試樣的顆粒級(jí)配參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果。每組直接剪切試驗(yàn)所采用的粗粒土級(jí)配、孔隙比不同,泥漿滲透結(jié)束后,粗粒土和泥漿所組成的混合物的密度也有差異,因此試驗(yàn)結(jié)果可以反映不同粗粒土性質(zhì)對(duì)接觸面力學(xué)性質(zhì)的影響。由表1可以看出,隨著粗粒土級(jí)配的變化,接觸面的力學(xué)特性也在隨之發(fā)生改變。當(dāng)粗粒土粒徑較大時(shí),泥皮有很大一部分被擠入到顆粒間的孔隙中,在某些區(qū)域內(nèi)形成粗粒土與結(jié)構(gòu)物之間沒(méi)有泥皮而直接接觸的情況,泥皮的作用被削弱,接觸面的力學(xué)性質(zhì)趨于粗粒土與混凝土試塊之間沒(méi)有泥皮的情況,黏聚力(圖3為不同顆粒級(jí)配粗粒土試樣直接剪切試驗(yàn)的結(jié)果。圖3顯示,由于構(gòu)成接觸面的粗粒土材料不同,接觸面參數(shù)存在一定的差異。隨著粗粒土級(jí)配的變化,接觸面摩擦系數(shù)為0.222～0.422。因此,在對(duì)防滲墻進(jìn)行模擬時(shí),將接觸面的摩擦系數(shù)分別取為0.2,0.3,0.4,并與防滲墻不分段的情況進(jìn)行對(duì)比,分析防滲墻的應(yīng)力和變形特性。3土壓力和土體的固結(jié)模型防滲墻混凝土是分槽段澆筑的,因此可以將防滲墻看作是由一排不同長(zhǎng)度間隔布置的混凝土墻段組合而成的。墻體在覆蓋層中受到水壓力、土壓力、上部壩體傳來(lái)的附加荷載及墻體與覆蓋層土體之間的摩阻力等,受力狀態(tài)比較復(fù)雜。建模過(guò)程中,分別建立每個(gè)墻段的模型,在墻段之間以及每個(gè)墻段與覆蓋層土體之間,建立接觸面單元來(lái)模擬泥皮。為了考慮不同接觸面參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響,根據(jù)直接剪切試驗(yàn)結(jié)果,摩擦系數(shù)分別為0.2,0.3,0.4,以下本試驗(yàn)將對(duì)摩擦系數(shù)為0.2時(shí)防滲墻在各個(gè)階段的應(yīng)力和變形特性進(jìn)行計(jì)算分析。3.1防滲墻槽段劃分計(jì)算模型中涉及到多種材料,其中壩體部分,即沙礫堆石、過(guò)渡層、瀝青混凝土心墻采用鄧肯-張(Duncan-Chang)非線(xiàn)性彈性采用笛卡兒直角坐標(biāo)系建模,以與壩軸線(xiàn)垂直的水平方向?yàn)閳D6為防滲墻槽段劃分示意圖,剖面0+224.00m和剖面0+234.00m是防滲墻中間部分深度最大墻段的剖面位置,下部與帷幕相接;剖面0+158.00m和剖面0+298.00m分別是防滲墻底部連接形式發(fā)生變化的交界處,在該位置的兩側(cè),墻段底部分別與山體和帷幕連接,由于二者連接形式不同,導(dǎo)致其約束情況和受力狀態(tài)也存在較大差異;剖面0+084.00m和剖面0+358.00m是防滲墻左右岸端部的剖面位置。3.2壩體單元的位移根據(jù)實(shí)際施工情況,整個(gè)大壩的填筑可以分為4個(gè)過(guò)程:第Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ期填筑分區(qū)分別為基礎(chǔ)～2903,2903～2920,2920～2964和2964～2966m?？紤]到計(jì)算的要求,將實(shí)際工程的施工過(guò)程進(jìn)一步細(xì)化來(lái)進(jìn)行堆載的模擬,依照施工步驟依次激活不同高度處的壩體單元,來(lái)模擬分級(jí)堆載的過(guò)程。計(jì)算中規(guī)定以向下游方向的位移為正,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,施工期沿河道方向的水平位移很小,防滲墻頂部位置位移為負(fù)值,即發(fā)生向上游方向的位移,最大位移為0.008m,在防滲墻的中、下部,水平位移為正值,發(fā)生向下游方向的位移,最大位移為0.016m。墻體水平位移的大小主要受覆蓋層的影響,不同土層對(duì)于墻體位移的抵抗和限制能力存在差異,荷載作用下,與不同土層相接觸的墻體部位的位移也會(huì)存在差異。施工期防滲墻的豎向位移受到自身質(zhì)量及上部壩體荷載的影響,頂部的豎向位移最大,越接近墻體底部,豎向位移越小,最大的豎向位移為0.471m,出現(xiàn)在墻體頂部中間位置(圖7)。施工堆載過(guò)程中,豎向應(yīng)力主要由上部荷載以及覆蓋層土體性質(zhì)決定,應(yīng)力最大值出現(xiàn)在墻體中部偏上的位置。施工期各墻段都處于受壓狀態(tài),無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn),表3列出了幾個(gè)典型剖面處墻段的最大壓應(yīng)力。3.3土體模量對(duì)防滲墻應(yīng)力的影響大壩運(yùn)行期間,上游正常水位2960m,下游最低水位2888m,模擬蓄水過(guò)程時(shí),仍采用分級(jí)加載的方法,將靜水壓力以面力的形式直接作用到上游覆蓋層及壩體迎水面上。新疆葉爾羌河下坂地水庫(kù)蓄水期防滲墻及帷幕的水平位移和豎向位移見(jiàn)圖8。壩體在上游水荷載的作用下,有向下游方向的位移,由于防滲墻頂部與壩體基座相連接,使得防滲墻頂部有與壩體共同運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),導(dǎo)致防滲墻的頂部位移較施工期有明顯的增加,并且由于覆蓋層土體模量不同,墻體在荷載作用下產(chǎn)生的變形大小也不同,上部覆蓋層主要為砂層及砂卵礫石層,而下部覆蓋層為冰磧含漂塊碎石層。因此,防滲墻底部水平位移較小,向下游方向的最大水平位移出現(xiàn)在防滲墻的頂部,最大位移為0.042m。蓄水期防滲墻豎向的位移相對(duì)于施工期有所減小,最大豎向位移為0.409m,仍出現(xiàn)在防滲墻的頂部(圖8)。表4列出了蓄水期幾個(gè)典型剖面處墻段的最大壓應(yīng)力。與施工期相比,蓄水期防滲墻的壓應(yīng)力總體略有減小,這與在水荷載作用下,防滲墻發(fā)生了側(cè)向變形有關(guān),最大的豎向應(yīng)力仍然出現(xiàn)在防滲墻中部偏上的位置。整個(gè)墻體處于受壓狀態(tài),無(wú)拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)。3.4穩(wěn)定滲流時(shí)壩上地區(qū)的水壓力分布特征為了考慮滲流作用對(duì)防滲墻應(yīng)力和變形特性的影響,在上游為正常蓄水位情況下,進(jìn)行了穩(wěn)定滲流計(jì)算,將所得出的瀝青混凝土心墻、防滲墻和帷幕上滲透壓力的分布情況作為已知條件,施加在整個(gè)垂直防滲體的上游面上。由于壩體堆石料與瀝青混凝土心墻的滲透系數(shù)以及覆蓋層土體與混凝土防滲墻的滲透系數(shù)相差很大,在上游壩體堆石及上游覆蓋層的滲流過(guò)程中,水頭損失很小,但通過(guò)瀝青混凝土心墻及防滲墻后,水頭跌落明顯,因此滲流所產(chǎn)生的滲透壓力可近似認(rèn)為完全由瀝青混凝土心墻及防滲墻來(lái)承擔(dān)。考慮穩(wěn)定滲流時(shí),瀝青混凝土心墻、防滲墻以及帷幕上的水壓力分布情況如圖9所示。根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果,上游壩坡及防滲墻上、下游面上的水壓力均近似呈線(xiàn)性分布,隨著高度的增加而逐漸減小,防滲墻最底部位置上、下游面上的水壓力最大,分別為2220和1500kPa。綜合考慮上、下游水壓力作用下防滲結(jié)構(gòu)承受的水壓力差可知,瀝青混凝土心墻上的滲透壓差呈三角形分布,最大值為720kPa,防滲墻和帷幕上作用的滲透壓差為均布荷載,大小為720kPa(圖9)。滲透壓力作用下防滲墻及帷幕的水平位移和豎向位移如圖10所示。在滲透壓力作用下,防滲墻順河道方向的水平位移相對(duì)于蓄水期有明顯增加,最大水平位移達(dá)到0.104m,出現(xiàn)在防滲墻的中上部與砂層相接觸的部位,墻體周邊位置位移較小(圖10)。這種變形特點(diǎn)與覆蓋層的情況及墻體邊界處的約束條件有關(guān),墻體最大水平位移處的覆蓋層為砂層,荷載作用下會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的變形,而墻體頂部與壩體基座連接,底部與帷幕搭接,帷幕嵌入基巖,墻體周邊相對(duì)較強(qiáng)的約束導(dǎo)致邊緣部分在滲透壓力作用下水平位移不大。由于防滲墻的側(cè)向變形在滲透壓力的作用下繼續(xù)發(fā)展,豎向位移較蓄水期略有減小,最大豎向位移為0.374m,出現(xiàn)在防滲墻頂部中間的位置(圖10)。表5中列出了在滲透壓力的作用下,大壩幾個(gè)典型剖面處墻段的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力值。在滲透壓力作用下,防滲墻的最大壓應(yīng)力與施工期和蓄水期相比有所增加,與此同時(shí),在位于邊緣的墻段中,有拉應(yīng)力出現(xiàn)(表5)。防滲墻上的應(yīng)力分布同樣取決于墻段邊界的約束形式以及下游面與墻體接觸的覆蓋層土體性質(zhì)。4防滲墻應(yīng)力和變形的基本情況為了討論考慮泥皮的作用以及不同接觸面參數(shù)對(duì)防滲墻應(yīng)力和變形的影響,分別對(duì)接觸面摩擦系數(shù)為0.2,0.3和0.4以及防滲墻不分縫(不考慮泥皮)的情況進(jìn)行了模擬,對(duì)防滲墻在施工期、蓄水期并考慮滲透壓力作用的應(yīng)力和變形情況進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可以看出,無(wú)論是在施工期還是蓄水期,摩擦系數(shù)越大,防滲墻的最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力都會(huì)增大,而墻體的最大水平位移和豎向位移都會(huì)減小。顯然,摩擦系數(shù)越大,表明墻段之間的連接越強(qiáng),墻體抵抗外力的能力也將隨之提高,但各個(gè)墻段之間協(xié)調(diào)變形的能力下降,泥皮對(duì)墻段間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所起到的緩沖作用降低,導(dǎo)致墻體中各墻段的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力增大。鑒于接觸面摩擦系數(shù)不同所引起的防滲墻應(yīng)力和變形的變化相對(duì)較小,是否對(duì)防滲墻進(jìn)行分段以考慮泥皮的作用,是決定防滲墻受力和變形特性的主要因素。防滲墻作為一個(gè)整體不分縫處理是考慮接觸面摩擦系數(shù)無(wú)窮大的一種極限狀態(tài),該情況下計(jì)算得出的墻體應(yīng)力最大、位移最小。5接觸面泥皮作用的影響在考泥皮作用的條件下,本研究分別對(duì)施工期、蓄水期及滲透壓力作用下防滲墻應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行了分析,通過(guò)試驗(yàn)確定了接觸面的相關(guān)參數(shù),選取不同接觸面參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,并與不考慮泥皮時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,分析泥皮存在對(duì)防滲墻應(yīng)力和變形的影響,得出以下結(jié)論:1)在夾有泥皮情況下,粗粒土與防滲墻結(jié)構(gòu)之間接觸面的力學(xué)特性會(huì)隨著粗粒土性質(zhì)的不同而發(fā)生變化。當(dāng)粗粒土粒徑較大時(shí),泥皮易被擠入到顆粒間的孔隙中,接觸面的力學(xué)性質(zhì)趨于粗粒土與結(jié)構(gòu)物之間沒(méi)有泥皮而直接接觸的情況;隨著粗粒土粒徑的減小,泥皮進(jìn)入到粗粒土內(nèi)部的難度增大,接觸面的力學(xué)性質(zhì)更接近于泥皮本身的特性。2)在對(duì)防滲墻進(jìn)行分段以考慮泥皮作用的情況下,墻體水平和豎向的變形要大于不分段的情況,墻體的變形情況主要受外部荷載及覆蓋層土體性質(zhì)的影響,最大豎向位移出現(xiàn)在施工期墻體的頂部,最大水平位移出現(xiàn)在滲透壓力作用下與砂層相接處的墻段部位。3)防滲墻在施工期和蓄水期均處于受壓狀態(tài),無(wú)拉應(yīng)力,與砂層相接觸的防滲墻墻段為高應(yīng)力區(qū),在滲透壓力作用下,邊緣墻段有拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)。在考慮泥皮作用時(shí),墻體的最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力相對(duì)于防滲墻不分縫的情況都有所減小,說(shuō)明防滲墻分縫能降低墻體應(yīng)力,墻段間的泥皮有利于改善防滲