深厚覆盖层坝基防渗墙应力和变形特性试验研究

深厚覆盖层坝基防渗墙应力和变形特性试验研究

在深层覆盖层修建土坝时，通常采用混凝土防渗墙、窗帘填充等措施进行垂直渗透，切断地下渗流通道，最大限度地减少渗流损失，确保水库底部的抗渗稳定性。1工程概况及覆盖层的地质条件下坂地水利枢纽工程位于新疆叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中下游,水库总库容8.67亿m2直接剪切试验为了确定防渗墙结构与覆盖层土体之间接触面的相关参数,本研究进行了粗粒土与结构面之间在夹有泥皮的情况下的直接剪切试验。为了得到与实际状态接近的泥皮,试验模拟了泥浆在粗粒土中的渗透过程,对一定级配的粗粒土试样的两侧施加压力差,使泥浆从试样的一侧向另一侧渗透,将渗透形成的泥皮作为直接剪切试验的泥皮,并将其置于粗粒土与混凝土试块之间,进而通过试验确定接触面的相关参数。2.1苗木渗透试验考虑到该工程坝基覆盖层深度大、地质构造复杂,为了近似地模拟覆盖层粗粒土粒径差异大、级配不良的情况,采用8组颗粒级配不连续的粗粒土试样,在最密实的状态下进行泥浆渗透试验,各组试验采用相同的泥浆黏度、渗透压差和渗透时间,以确保泥皮形成的外界条件相同。渗透过程中会在粗粒土试样的一侧形成一定厚度的泥皮。试验结束后,取出泥皮附近区域的粗粒土试样,并将其作为直接剪切试验的粗粒土材料,防渗墙材料采用预制混凝土试块,将泥浆渗透过程中形成的泥皮放置于粗粒土试样与预制混凝土试块之间,根据本次泥浆渗透试验所形成泥皮的情况以及文献2.2粗粒土级配对接触面力学性质的影响表1列出了各组试验中粗粒土试样的颗粒级配参数及试验结果。每组直接剪切试验所采用的粗粒土级配、孔隙比不同,泥浆渗透结束后,粗粒土和泥浆所组成的混合物的密度也有差异,因此试验结果可以反映不同粗粒土性质对接触面力学性质的影响。由表1可以看出,随着粗粒土级配的变化,接触面的力学特性也在随之发生改变。当粗粒土粒径较大时,泥皮有很大一部分被挤入到颗粒间的孔隙中,在某些区域内形成粗粒土与结构物之间没有泥皮而直接接触的情况,泥皮的作用被削弱,接触面的力学性质趋于粗粒土与混凝土试块之间没有泥皮的情况,黏聚力(图3为不同颗粒级配粗粒土试样直接剪切试验的结果。图3显示,由于构成接触面的粗粒土材料不同,接触面参数存在一定的差异。随着粗粒土级配的变化,接触面摩擦系数为0.222～0.422。因此,在对防渗墙进行模拟时,将接触面的摩擦系数分别取为0.2,0.3,0.4,并与防渗墙不分段的情况进行对比,分析防渗墙的应力和变形特性。3土压力和土体的固结模型防渗墙混凝土是分槽段浇筑的,因此可以将防渗墙看作是由一排不同长度间隔布置的混凝土墙段组合而成的。墙体在覆盖层中受到水压力、土压力、上部坝体传来的附加荷载及墙体与覆盖层土体之间的摩阻力等,受力状态比较复杂。建模过程中,分别建立每个墙段的模型,在墙段之间以及每个墙段与覆盖层土体之间,建立接触面单元来模拟泥皮。为了考虑不同接触面参数对结构带来的影响,根据直接剪切试验结果,摩擦系数分别为0.2,0.3,0.4,以下本试验将对摩擦系数为0.2时防渗墙在各个阶段的应力和变形特性进行计算分析。3.1防渗墙槽段划分计算模型中涉及到多种材料,其中坝体部分,即沙砾堆石、过渡层、沥青混凝土心墙采用邓肯-张(Duncan-Chang)非线性弹性采用笛卡儿直角坐标系建模,以与坝轴线垂直的水平方向为图6为防渗墙槽段划分示意图,剖面0+224.00m和剖面0+234.00m是防渗墙中间部分深度最大墙段的剖面位置,下部与帷幕相接;剖面0+158.00m和剖面0+298.00m分别是防渗墙底部连接形式发生变化的交界处,在该位置的两侧,墙段底部分别与山体和帷幕连接,由于二者连接形式不同,导致其约束情况和受力状态也存在较大差异;剖面0+084.00m和剖面0+358.00m是防渗墙左右岸端部的剖面位置。3.2坝体单元的位移根据实际施工情况,整个大坝的填筑可以分为4个过程:第Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ期填筑分区分别为基础～2903,2903～2920,2920～2964和2964～2966m。考虑到计算的要求,将实际工程的施工过程进一步细化来进行堆载的模拟,依照施工步骤依次激活不同高度处的坝体单元,来模拟分级堆载的过程。计算中规定以向下游方向的位移为正,根据计算结果,施工期沿河道方向的水平位移很小,防渗墙顶部位置位移为负值,即发生向上游方向的位移,最大位移为0.008m,在防渗墙的中、下部,水平位移为正值,发生向下游方向的位移,最大位移为0.016m。墙体水平位移的大小主要受覆盖层的影响,不同土层对于墙体位移的抵抗和限制能力存在差异,荷载作用下,与不同土层相接触的墙体部位的位移也会存在差异。施工期防渗墙的竖向位移受到自身质量及上部坝体荷载的影响,顶部的竖向位移最大,越接近墙体底部,竖向位移越小,最大的竖向位移为0.471m,出现在墙体顶部中间位置(图7)。施工堆载过程中,竖向应力主要由上部荷载以及覆盖层土体性质决定,应力最大值出现在墙体中部偏上的位置。施工期各墙段都处于受压状态,无拉应力出现,表3列出了几个典型剖面处墙段的最大压应力。3.3土体模量对防渗墙应力的影响大坝运行期间,上游正常水位2960m,下游最低水位2888m,模拟蓄水过程时,仍采用分级加载的方法,将静水压力以面力的形式直接作用到上游覆盖层及坝体迎水面上。新疆叶尔羌河下坂地水库蓄水期防渗墙及帷幕的水平位移和竖向位移见图8。坝体在上游水荷载的作用下,有向下游方向的位移,由于防渗墙顶部与坝体基座相连接,使得防渗墙顶部有与坝体共同运动的趋势,导致防渗墙的顶部位移较施工期有明显的增加,并且由于覆盖层土体模量不同,墙体在荷载作用下产生的变形大小也不同,上部覆盖层主要为砂层及砂卵砾石层,而下部覆盖层为冰碛含漂块碎石层。因此,防渗墙底部水平位移较小,向下游方向的最大水平位移出现在防渗墙的顶部,最大位移为0.042m。蓄水期防渗墙竖向的位移相对于施工期有所减小,最大竖向位移为0.409m,仍出现在防渗墙的顶部(图8)。表4列出了蓄水期几个典型剖面处墙段的最大压应力。与施工期相比,蓄水期防渗墙的压应力总体略有减小,这与在水荷载作用下,防渗墙发生了侧向变形有关,最大的竖向应力仍然出现在防渗墙中部偏上的位置。整个墙体处于受压状态,无拉应力区出现。3.4稳定渗流时坝上地区的水压力分布特征为了考虑渗流作用对防渗墙应力和变形特性的影响,在上游为正常蓄水位情况下,进行了稳定渗流计算,将所得出的沥青混凝土心墙、防渗墙和帷幕上渗透压力的分布情况作为已知条件,施加在整个垂直防渗体的上游面上。由于坝体堆石料与沥青混凝土心墙的渗透系数以及覆盖层土体与混凝土防渗墙的渗透系数相差很大,在上游坝体堆石及上游覆盖层的渗流过程中,水头损失很小,但通过沥青混凝土心墙及防渗墙后,水头跌落明显,因此渗流所产生的渗透压力可近似认为完全由沥青混凝土心墙及防渗墙来承担。考虑稳定渗流时,沥青混凝土心墙、防渗墙以及帷幕上的水压力分布情况如图9所示。根据渗流计算结果,上游坝坡及防渗墙上、下游面上的水压力均近似呈线性分布,随着高度的增加而逐渐减小,防渗墙最底部位置上、下游面上的水压力最大,分别为2220和1500kPa。综合考虑上、下游水压力作用下防渗结构承受的水压力差可知,沥青混凝土心墙上的渗透压差呈三角形分布,最大值为720kPa,防渗墙和帷幕上作用的渗透压差为均布荷载,大小为720kPa(图9)。渗透压力作用下防渗墙及帷幕的水平位移和竖向位移如图10所示。在渗透压力作用下,防渗墙顺河道方向的水平位移相对于蓄水期有明显增加,最大水平位移达到0.104m,出现在防渗墙的中上部与砂层相接触的部位,墙体周边位置位移较小(图10)。这种变形特点与覆盖层的情况及墙体边界处的约束条件有关,墙体最大水平位移处的覆盖层为砂层,荷载作用下会产生相对较大的变形,而墙体顶部与坝体基座连接,底部与帷幕搭接,帷幕嵌入基岩,墙体周边相对较强的约束导致边缘部分在渗透压力作用下水平位移不大。由于防渗墙的侧向变形在渗透压力的作用下继续发展,竖向位移较蓄水期略有减小,最大竖向位移为0.374m,出现在防渗墙顶部中间的位置(图10)。表5中列出了在渗透压力的作用下,大坝几个典型剖面处墙段的最大压应力和拉应力值。在渗透压力作用下,防渗墙的最大压应力与施工期和蓄水期相比有所增加,与此同时,在位于边缘的墙段中,有拉应力出现(表5)。防渗墙上的应力分布同样取决于墙段边界的约束形式以及下游面与墙体接触的覆盖层土体性质。4防渗墙应力和变形的基本情况为了讨论考虑泥皮的作用以及不同接触面参数对防渗墙应力和变形的影响,分别对接触面摩擦系数为0.2,0.3和0.4以及防渗墙不分缝(不考虑泥皮)的情况进行了模拟,对防渗墙在施工期、蓄水期并考虑渗透压力作用的应力和变形情况进行分析,结果见表6。由表6可以看出,无论是在施工期还是蓄水期,摩擦系数越大,防渗墙的最大拉应力、压应力都会增大,而墙体的最大水平位移和竖向位移都会减小。显然,摩擦系数越大,表明墙段之间的连接越强,墙体抵抗外力的能力也将随之提高,但各个墙段之间协调变形的能力下降,泥皮对墙段间相对运动所起到的缓冲作用降低,导致墙体中各墙段的拉应力、压应力增大。鉴于接触面摩擦系数不同所引起的防渗墙应力和变形的变化相对较小,是否对防渗墙进行分段以考虑泥皮的作用,是决定防渗墙受力和变形特性的主要因素。防渗墙作为一个整体不分缝处理是考虑接触面摩擦系数无穷大的一种极限状态,该情况下计算得出的墙体应力最大、位移最小。5接触面泥皮作用的影响在考泥皮作用的条件下,本研究分别对施工期、蓄水期及渗透压力作用下防渗墙应力应变情况进行了分析,通过试验确定了接触面的相关参数,选取不同接触面参数进行了计算,并与不考虑泥皮时的计算结果进行比较,分析泥皮存在对防渗墙应力和变形的影响,得出以下结论:1)在夹有泥皮情况下,粗粒土与防渗墙结构之间接触面的力学特性会随着粗粒土性质的不同而发生变化。当粗粒土粒径较大时,泥皮易被挤入到颗粒间的孔隙中,接触面的力学性质趋于粗粒土与结构物之间没有泥皮而直接接触的情况;随着粗粒土粒径的减小,泥皮进入到粗粒土内部的难度增大,接触面的力学性质更接近于泥皮本身的特性。2)在对防渗墙进行分段以考虑泥皮作用的情况下,墙体水平和竖向的变形要大于不分段的情况,墙体的变形情况主要受外部荷载及覆盖层土体性质的影响,最大竖向位移出现在施工期墙体的顶部,最大水平位移出现在渗透压力作用下与砂层相接处的墙段部位。3)防渗墙在施工期和蓄水期均处于受压状态,无拉应力,与砂层相接触的防渗墙墙段为高应力区,在渗透压力作用下,边缘墙段有拉应力区出现。在考虑泥皮作用时,墙体的最大拉应力、压应力相对于防渗墙不分缝的情况都有所减小,说明防渗墙分缝能降低墙体应力,墙段间的泥皮有利于改善防渗