基于数值模拟的土工膜防渗坝变形响应研究

杨 威

（广东中灏勘察设计咨询有限公司,广东 广州 510700）

1 引言

随着我国水利工程建设的快速发展,水电站大坝的数量和规模都发生了快速的增长,但某些土石坝由于设计及施工原因导致溃坝事件时有发生[1],如Teton 宽堆石坝溃决、Hyttejuvet 土石坝异常渗漏等工程灾害。

对于土石坝而言,采取良好的防渗措施是坝体安全运营的关键问题。随着新材料的快速发展,人们发现,复合土工膜有很多优点,如防水性能良好、变形能力强和施工简单等。作为土石坝的防渗材料具有无可比拟的优势[2-4]。徐颖等[5]基于现场监测资料,研究了复合土工膜斜墙防渗砂砾石坝的渗流安全监控指标,结果表明,良好的防渗措施是坝体安全运营的基础。桂长兴[6]研究了土工膜防渗的设计与施工要点,并指出了土工膜防渗的优点。魏继中等[7]基于数值模拟方法,开展了土石坝的有限元渗流模拟,详细地分析了复合土工膜的渗透机理,结果表明,土工膜防渗技术对于解决中小型土石坝渗流是可靠的。蒋善平等[8-10]基于模型试验,研究了防渗膜-垫层料界面力学特性,结果表明,聚合物透水混凝土防渗性能良好,比较适合作为高堆石坝防渗土工膜的透水垫层。本文针对坝面使用复合土工膜作为防渗措施的某石渣坝,基于数值模拟,建立三维分析模型,研究蓄水前后坝体和坝面土工膜的变形响应。

2 工程概况数值模型

研究区水库为中型水库,坝面采用复合土工膜进行防水。其中坝高、顶长及顶宽分别为26.8 m、131 m 和6 m。坝体由石渣料砌筑而成,上下游坡比分别为1∶3.5 和1∶3.0。马道以下为排水块体,排水体上下游坡比分别为1∶1.5 和1∶2.0。防渗墙下设混凝土止水帷幕,本文所分析的坝体典型断面见图1。

图1 石渣坝典型剖面图

建立数值模型见图2,其中单元格合计60045 个,节点个数合计62670。模拟过程主要包括：填筑施工、防水土工膜铺设以及蓄水过程。其中填筑施工主要是模拟地基、围堰、坝体、土工膜铺设以及蓄水过程,主要分为18 个施工步骤进行。其中第一级为地基施工,2～7 级为围堰施工,8～16 级为坝体填筑施工,17 级为防水土工膜填筑,18 级为蓄水模拟。

图2 有限元模型

数值模拟计算中,为了保证计算效率,需做一定的假设,本文假定石渣料为非线性材料,其本构模型按照邓肯E-B 模型确定。防渗墙为C25 和C20 混凝土材料。基岩假定为线弹性材料。由于复合土工膜的厚度比较小,如果采用实体单元非常难模拟,本文采用平面应力单元模拟,且假定土工膜满足线弹性本构模型。厂家给出的土工膜的参数具体为：横向和纵向弹模分别为9.60 MPa 和7.62 MPa,泊松比分别为0.32和0.35。结合工程经验最终给出了模拟所用材料的物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数汇总

3 结果与分析

3.1 坝体变性特性

图3 和图4 汇总得到了竣工期和正常蓄水期大坝变形等值线图。规定水平变形以向上游方向为正；沉降以向上为正。图3（a）表明,竣工期坝体水平位移最大值出现于上游1/3 坝高处,而蓄水后坝体水平位移最大值出现于下游1/3 坝高处,证明水压力改变了坝体水平变形,且随着水压力的施加,向上游的水平变形减小,而向下游水平变形增大。总之,水压力对上游坝体的影响要比下游更为明显；图3（b）表明,坝体的沉降变形最大值主要出现与坝体中部位置。图4（a）和图4（b）表明,蓄水期坝体的水平位移和沉降趋势与竣工期基本相同,不再赘述。表2 结果表明,蓄水后,水压力对沉降变形影响较小,坝体沉降最大值由-22.6 cm 增大至-22.9 cm,对应的沉降率为0.84%、0.85%。

表2 坝体变形最大值

图3 竣工期坝体位移等值线分布图

图4 蓄水期坝体位移等值线分布图

此外,竣工期和正常蓄水位下坝体大主应力分布合理,两种情况下极值都在坝体底部。当施加水压力时,上游坝体大主应力等值线随高程的降低而上移,此外,水压力对下游坝体大主应力分布影响比对上游小的多。竣工期,坝体大小主应力的最大值分别为0.49 MPa、0.21 MPa；蓄水后,主应力极值分别为0.50 MPa 和0.24 MPa。证明,水库蓄水对坝体安全产生积极的影响,且在两种工况下坝体的应力水平极值均小于0.8,坝体不会出现剪切破坏。

3.2 复合土工膜变形特性

数值模拟前期,对复合土工膜进行了拉伸试验,最终得到土工膜的横向抗拉强度为21.5 kN/m,纵向抗拉强度分别为19.4 kN/m,相应的伸长率分别为65.1%、83.9%。图5 汇总得到正常蓄水位下,土工膜变形等值线分布图,结果表明,由于土工膜是在坝体填筑完成后铺设的,因此,土工膜在竣工期所受荷载为0,其变形也基本为0。竣工后,由于坝体受水压力的作用,土工膜和坝体几乎发生相同大小的变形。其中土工膜的变形主要为向下的沉降和向下游的水平变形（图5（a）和图5（b））,其中,最大沉降约为6.8 cm,发生的位置为水压力最大的区域。此外,土工膜轴向位移总体由河两岸向河床部位变形,最大轴向位移发生在下方,最大值为1.3 cm（图5（c））。

图5 正常蓄水位下复合土工膜变形等值线分布

图6 汇总得到了正常蓄水位下土工膜的单位宽度拉应力等值线分布规律,结果表明,土工膜仅在下半部分受拉应力,其极值为0.5%,位置在坝面底部右侧。产生的主要原因是由于边界约束导致的受拉。此外,在正常蓄水位下,复合土工膜所受到的最大纵向单位拉应力为1.05 kN/m（图6（b））,最大横向单宽拉力为1.38 kN/m（图6（a））,横向和纵向的安全系数分别为18.84 和15.57,均满足规范要求的大于5 的规定,土工膜是可靠的。

图6 正常蓄水位土工膜拉应力等值线分布

4 结论

本文基于有限元数值手段开展了土工膜防渗坝变形响应研究,主要分析了坝体和复合土工膜的变形特性,得到以下几点结论：

（1）蓄水期和竣工期相比,坝体水平位移发生明显变化,其中,向上游的位移从7.8 cm 减小到4.0 cm；而向下游的水平位移从-6.7 cm 增大至-7.2 cm；此外,坝体的沉降变化不明显,蓄水前后沉降的最大值分别为-22.6 cm 和-22.9 cm。

（2）相对来说,蓄水导致的水位上升对坝体的安全是有积极影响的,蓄水后坝体的应力水平极值从0.78 可减小至0.73,而大主应力极值和小主应力极值变化较小。

（3）水平荷载是土工膜产生变形的主要原因,蓄水后,土工膜与坝面变形基本相同。此外,单位宽度拉力最大值发生于坝面底部右侧；土工膜横向和纵向的安全系数高达18.84 和15.57,均满足规范要求的大于5 的规定,可保证土工膜安全运营。