深覆盖岩溶基防渗墙应力变形影响素
摘：堤基防渗技术关系整水利工程安危透水基修建挡水建筑物关键防渗墙工作性进行合理评价够效提高堤坝运行稳定性文基相关理研究结合伙房水库堤坝工程深覆盖岩溶基防渗墙应力进行系统研究通相关数模型防渗墙体相关弹性模量进行数值计算研究分析防渗墙应力变形影响素引起墙体变形原塑性墙较刚性墙更保持应力状态水位移取决墙覆盖层承载条件等结相关水利工程设计施工提供数支持
关键词：防渗墙岩溶基弹性模量塑性墙
Influencing factors of stress and deformation of impervious wall in deep covered karst ground
Abstract Embankment seepage control technology is related to the safety of the entire water conservancy project which is the key to building retaining structures on seepage foundation The reasonable evaluation of the performance of the impervious wall can effectively improve the stability of the dam In this paper based on the relevant theoretical research combined with the dam project of Dahuofang reservoir the stress of impervious wall in deep covered karst ground has been studied systematically The relevant elastic modulus of the impervious wall has been numerically calculated through correlation data model The main factors that cause the deformation of the wall are the factors that cause the deformation of the impermeable wall The plastic wall can maintain the stress state better than the rigid wall and the horizontal displacement mainly depends on the bearing conditions of the wall cover Related water conservancy project design and construction to provide data support
Keywords Cutoff wallKarst groundElastic ModulusPlastic wall
0引言
着水利工程开发水文质条件水电需求急剧增长等素限制[12]水利工程兴建避免面深覆盖层岩溶复杂基等问题[34]深覆盖岩溶基建坝关键技术难题关着整水工建筑物安全稳定防渗处理技术选择显尤重[5]
潘迎[6]等通三峡花岗岩风化石碴型三轴试验面应变试验深入研究颗粒破碎剪胀性抗剪强度间影响规律林建锋[7]等利线性梁单元非线性土体单元等限元法计算浪底坝基防渗墙现行接触状态模拟方面提出新思路贾华[8]等分析素影响某心墙堆石坝混凝土防渗墙应力变形利三维非线性限元计算方法考察接触面模型中参数应力敏感程度
文基伙房水库相关水利工程建设查阅相关文献通建立三维线性数学模型深覆盖岩溶基防渗墙应力变形进行系统研究墙体弹性模量进行敏感性分析类似复杂基兴建水工建筑物设计运行提供科学合理
1 工程概况模型建立
11 工程概况
伙房水库位苏子河流域游流域重防洪泄洪建筑堤坝河岸线极规面形态极复杂水文特点径流系数降雨强度堤线总长936km堤身土壤砂壤土粘土防渗性较差易产生渗漏
堤基覆盖物普遍分布中更新系统击层具二元结构砂类土砾卵石组成江河河道防护区湖塘带基砂砾石出露表堤基深槽表面覆盖厚度较细砂防渗处理难度较
12建立模型
堤防进行三维限元分析建立直角坐标系垂直堤防方确定X轴指邻水侧正竖直方Z轴正河道方Y轴指河道游正限元模型基单元采8节点六面体耦合单元剖分总单元数12630总结点数15863图 1 计算模型限元网格示
图 1 计算模型限元网格
根施工验防渗墙基岩灌浆帷幕相关系数计算宜采线弹性模型研究防渗墙覆盖层土体间相互作时应注意墙土接触泥皮剪切特性相关线弹性模型参数取值表 1 堤防线弹性模型参数表示
表 1 堤防线弹性模型参数表
材料名称
泊松μ
弹性模量MPa
孔隙e
k(cms)
ρg·cm3
白云质灰岩
022
8500
0568
103
21
灰质灰岩
023
10000
0587
105
20
溶洞填充
025
10
0625
106
23
溶洞灌浆
032
1000
0732
06
169
防渗墙
030
30000
0593
106
26
帷幕灌浆
029
95000
0584
106
27
2 防渗墙应力变形分析
21防渗墙应力分析
施工期防渗墙应力受水荷载顶部荷载两侧负摩擦阻力影响墙体覆盖层间存定变形协调图 2 施工期防渗墙应力分布云图示墙体拉应力压应力致均着墙深度增承受力压应力发生邻水侧墙体38m高程值0132MPa时防渗墙底部产生较拉应力发生未灌浆工况值052MPa溶洞填充土体较松软压应力出现溶洞区值1325MPa说明覆盖层局部松软土防渗墙局部发生较应力集中现象溶洞墙体稳定利
a 未灌浆应力 b 未灌浆应力 c 灌浆应力 d 灌浆应力
图 2 施工期防渗墙应力分布云图（变形缩放2000倍）
蓄水覆盖层墙体间变形差异增加水侧水荷载作产生较变形促防渗墙发生复杂力学行时墙侧土体相防渗墙位移致背水侧均受摩擦阻力作应力变形极复杂图 3 蓄水期防渗墙应力分布云图示图知蓄水防渗墙应力整体高程减增基岩覆盖层分界面处达值拉应力值526MPa压应力683MPa
a 未灌浆应力 b 未灌浆应力 c 灌浆应力 d 灌浆应力
图 3 蓄水期防渗墙应力分布云图（变形缩放2000倍）
22 防渗墙变形分析
防渗墙两侧接触面堤防填筑蓄水作受法相应力增带动墙体发生竖沉降图 4 防渗墙竖沉降墙高变化曲线示图工况防渗墙竖沉降均着防渗墙高程增增沉降量出现防渗墙顶部防渗墙承受竖应力相较墙体施工阶段灌浆竖沉降影响明显蓄水墙顶受较竖应力作竖沉降达315mm灌浆竖沉降减169mm
图 4 防渗墙竖沉降墙高变化曲线
图 5 施工期蓄水期防渗墙水位移图图知施工期水位移较防渗墙顶部位移基致接0位移发生墙体中部墙体受顶部荷载两侧摩阻力影响顶部覆盖层覆堤防填土荷载作产生凹沉降变形引起防渗墙底部承受定拉应力堤防防渗墙水位移068mm水位移值出现防渗墙42m高程左右灌浆水位移减043mm蓄水防渗墙削减水头时承担较水压力底部嵌入基岩层水位移量较位移发生灌浆工况值628cm
a 施工期 b 蓄水期
图 5施工期蓄水期防渗墙水位移图
3 影响防渗墙应力变形素分析
31混凝土弹模条件墙体应力变形分析
防渗墙墙体利线弹性模型进行敏感性计算分选取两种刚性混凝土（弹性模量E295GPa19GPa）两种塑性混凝土（弹性模量E1600MPa600MPa）作研究工况墙体弹模防渗墙应力变形影响材料图 6 蓄水期防渗墙应力分布云图示拉压应力均出现覆盖层基岩交接处墙体水位移差墙体水荷载作背水侧弯曲引起墙体水侧受拉背水侧受压刚性墙基岩面覆盖层交界处应力突变明显E29500MPa时压应力756MPa拉应力516MPa均超出材料身极限值
E29500MPa E19000MPa E1600MPa E600MPa
图 6 蓄水期防渗墙应力分布云图
图刚性混凝土防渗墙拉应力远超出塑性混凝土防渗墙塑性墙蓄水前应力变化较明显应力集中现象墙体受力状态产生利影响知混凝土弹模越高墙体应力越高墙体受水压力影响越适应覆盖层间变形塑性混凝土防渗墙表现出较应力状态
32覆盖层静力参数条件墙体应力变形分析
覆盖层直接墙体接触材料深厚覆盖层成类型复杂结构松散覆盖层力学参数必防渗墙应力变形产生较影响河床覆盖层选取两组参数条件进行敏感性分析墙体渗透系数 K 取 10×106cms墙体弹模分取刚性墙 E295GPa 塑性墙 E06GPa相关模型参数表 2 防渗墙覆盖层相关参数表示变形模量较组参数称高参数变形模量较组参数称低参数溶洞灌浆基础研究覆盖层静力参数防渗墙应力变形影响
表 2 防渗墙覆盖层相关参数表
材料
n
Rf
m
K
k(cms)
孔隙e
ϕ°
低参数
044
083
038
650
31×104
0832
18
高参数
042
088
026
790
2×103
0812
25
回填土
041
089
025
950
38×103
0795
36
图 7 蓄水期覆盖层力学参数条件防渗墙应力分布云图图墙体水侧受拉背水侧受压墙体水位移覆盖层力学参数增减底部基岩约束作伸入基岩应力幅减应力均出现基岩面覆盖层交界处覆盖层材料参数墙体应力差明显拉应力高达 83Mpa塑性墙覆盖层参数较低条件较协调墙体覆盖层间变形表现出较力学状态覆盖层参数越高水位移越说明相条件覆盖层材料间结合越紧密抗变形力越强
a 低参数刚性墙 b 低参数塑性墙 c 高参数刚性墙 d 高参数塑性墙
图 7 蓄水期覆盖层力学参数条件防渗墙应力分布云图
4结
文基相关理研究结合伙房水库基防渗墙实际施工概况通建立三维限元分析模型研究分析深覆盖岩溶基防渗墙应力变形性结：
（1）施工期墙体受应力差异明显溶洞存墙体易发生应力集中现象蓄水墙体整体背水侧弯曲引起防渗墙水侧受拉背水侧受土体压力作受压防渗墙沉降量发生防渗墙顶部底部受基岩约束水位移蓄水受水荷载作背水侧弯曲明显覆盖层水位移重新调整水位移受水荷载作变化明显整体背水侧偏移
（2）着混凝土弹模增刚性混凝土防渗墙拉应力远远塑性混凝土防渗墙塑性墙蓄水前保持较应力状态弹模墙体水位移差水位移受覆盖层力学性质影响覆盖层材料参数墙体应力差明显塑性墙覆盖层参数较低条件较协调墙体覆盖层间变形表现出较力学状态
参考文献
[1]吕高峰朱锦杰王玉洁 覆盖层防渗墙应力变形影响素敏感性分析[J] 浙江水利水电学院学报201628(01)4651
[2]潘家军饶锡保周欣华等 深厚覆盖层面板堆石坝新型结构应力变形性状影响素研究[J] 水利学报201546(S1)163167
[3]温立峰柴军瑞 深覆盖层面板堆石坝防渗墙应力变形分析[J] 长江科学院院报201532(02)8491
[4]牛坤 土石坝坝体混凝土防渗墙应力变形分析[J] 云南水力发电201430(06)6871+90
[5]陈剑卢廷浩结构型式接触面参数防渗墙应力变形影响分析[J]水利水电技术2003(11)3336
[6]潘迎蕴龙周溪曹学兴 河谷形深覆盖层中防渗墙应力变形影响分析[J] 岩土力学201334(07)20232030
[7]林建锋 建新水库加固塑性混凝土防渗墙应力变形分析[J] 黑龙江水利科技200937(05)2023
[8]贾华宾伍玉等 长河坝心墙堆石坝基防渗墙应力变形分析[J] 水资源水工程学报2008(03)7275
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摘：堤基防渗技术关系整水利工程安危透水基修建挡水建筑物关键防渗墙工作性进行合理评价够效提高堤坝运行稳定性文基相关理研究结合伙房水库堤坝工程深覆盖岩溶基防渗墙应力进行系统研究通相关数模型防渗墙体相关弹性模量进行数值计算研究分析防渗墙应力变形影响素引起墙体变形原塑性墙较刚性墙更保持应力状态水位移取决墙覆盖层承载条件等结相关水利工程设计施工提供数支持
关键词：防渗墙岩溶基弹性模量塑性墙
Influencing factors of stress and deformation of impervious wall in deep covered karst ground
Abstract Embankment seepage control technology is related to the safety of the entire water conservancy project which is the key to building retaining structures on seepage foundation The reasonable evaluation of the performance of the impervious wall can effectively improve the stability of the dam In this paper based on the relevant theoretical research combined with the dam project of Dahuofang reservoir the stress of impervious wall in deep covered karst ground has been studied systematically The relevant elastic modulus of the impervious wall has been numerically calculated through correlation data model The main factors that cause the deformation of the wall are the factors that cause the deformation of the impermeable wall The plastic wall can maintain the stress state better than the rigid wall and the horizontal displacement mainly depends on the bearing conditions of the wall cover Related water conservancy project design and construction to provide data support
Keywords Cutoff wallKarst groundElastic ModulusPlastic wall
0引言
着水利工程开发水文质条件水电需求急剧增长等素限制[12]水利工程兴建避免面深覆盖层岩溶复杂基等问题[34]深覆盖岩溶基建坝关键技术难题关着整水工建筑物安全稳定防渗处理技术选择显尤重[5]
潘迎[6]等通三峡花岗岩风化石碴型三轴试验面应变试验深入研究颗粒破碎剪胀性抗剪强度间影响规律林建锋[7]等利线性梁单元非线性土体单元等限元法计算浪底坝基防渗墙现行接触状态模拟方面提出新思路贾华[8]等分析素影响某心墙堆石坝混凝土防渗墙应力变形利三维非线性限元计算方法考察接触面模型中参数应力敏感程度
文基伙房水库相关水利工程建设查阅相关文献通建立三维线性数学模型深覆盖岩溶基防渗墙应力变形进行系统研究墙体弹性模量进行敏感性分析类似复杂基兴建水工建筑物设计运行提供科学合理
1 工程概况模型建立
11 工程概况
伙房水库位苏子河流域游流域重防洪泄洪建筑堤坝河岸线极规面形态极复杂水文特点径流系数降雨强度堤线总长936km堤身土壤砂壤土粘土防渗性较差易产生渗漏
堤基覆盖物普遍分布中更新系统击层具二元结构砂类土砾卵石组成江河河道防护区湖塘带基砂砾石出露表堤基深槽表面覆盖厚度较细砂防渗处理难度较
12建立模型
堤防进行三维限元分析建立直角坐标系垂直堤防方确定X轴指邻水侧正竖直方Z轴正河道方Y轴指河道游正限元模型基单元采8节点六面体耦合单元剖分总单元数12630总结点数15863图 1 计算模型限元网格示
图 1 计算模型限元网格
根施工验防渗墙基岩灌浆帷幕相关系数计算宜采线弹性模型研究防渗墙覆盖层土体间相互作时应注意墙土接触泥皮剪切特性相关线弹性模型参数取值表 1 堤防线弹性模型参数表示
表 1 堤防线弹性模型参数表
材料名称
泊松μ
弹性模量MPa
孔隙e
k(cms)
ρg·cm3
白云质灰岩
022
8500
0568
103
21
灰质灰岩
023
10000
0587
105
20
溶洞填充
025
10
0625
106
23
溶洞灌浆
032
1000
0732
06
169
防渗墙
030
30000
0593
106
26
帷幕灌浆
029
95000
0584
106
27
2 防渗墙应力变形分析
21防渗墙应力分析
施工期防渗墙应力受水荷载顶部荷载两侧负摩擦阻力影响墙体覆盖层间存定变形协调图 2 施工期防渗墙应力分布云图示墙体拉应力压应力致均着墙深度增承受力压应力发生邻水侧墙体38m高程值0132MPa时防渗墙底部产生较拉应力发生未灌浆工况值052MPa溶洞填充土体较松软压应力出现溶洞区值1325MPa说明覆盖层局部松软土防渗墙局部发生较应力集中现象溶洞墙体稳定利
a 未灌浆应力 b 未灌浆应力 c 灌浆应力 d 灌浆应力
图 2 施工期防渗墙应力分布云图（变形缩放2000倍）
蓄水覆盖层墙体间变形差异增加水侧水荷载作产生较变形促防渗墙发生复杂力学行时墙侧土体相防渗墙位移致背水侧均受摩擦阻力作应力变形极复杂图 3 蓄水期防渗墙应力分布云图示图知蓄水防渗墙应力整体高程减增基岩覆盖层分界面处达值拉应力值526MPa压应力683MPa
a 未灌浆应力 b 未灌浆应力 c 灌浆应力 d 灌浆应力
图 3 蓄水期防渗墙应力分布云图（变形缩放2000倍）
22 防渗墙变形分析
防渗墙两侧接触面堤防填筑蓄水作受法相应力增带动墙体发生竖沉降图 4 防渗墙竖沉降墙高变化曲线示图工况防渗墙竖沉降均着防渗墙高程增增沉降量出现防渗墙顶部防渗墙承受竖应力相较墙体施工阶段灌浆竖沉降影响明显蓄水墙顶受较竖应力作竖沉降达315mm灌浆竖沉降减169mm
图 4 防渗墙竖沉降墙高变化曲线
图 5 施工期蓄水期防渗墙水位移图图知施工期水位移较防渗墙顶部位移基致接0位移发生墙体中部墙体受顶部荷载两侧摩阻力影响顶部覆盖层覆堤防填土荷载作产生凹沉降变形引起防渗墙底部承受定拉应力堤防防渗墙水位移068mm水位移值出现防渗墙42m高程左右灌浆水位移减043mm蓄水防渗墙削减水头时承担较水压力底部嵌入基岩层水位移量较位移发生灌浆工况值628cm
a 施工期 b 蓄水期
图 5施工期蓄水期防渗墙水位移图
3 影响防渗墙应力变形素分析
31混凝土弹模条件墙体应力变形分析
防渗墙墙体利线弹性模型进行敏感性计算分选取两种刚性混凝土（弹性模量E295GPa19GPa）两种塑性混凝土（弹性模量E1600MPa600MPa）作研究工况墙体弹模防渗墙应力变形影响材料图 6 蓄水期防渗墙应力分布云图示拉压应力均出现覆盖层基岩交接处墙体水位移差墙体水荷载作背水侧弯曲引起墙体水侧受拉背水侧受压刚性墙基岩面覆盖层交界处应力突变明显E29500MPa时压应力756MPa拉应力516MPa均超出材料身极限值
E29500MPa E19000MPa E1600MPa E600MPa
图 6 蓄水期防渗墙应力分布云图
图刚性混凝土防渗墙拉应力远超出塑性混凝土防渗墙塑性墙蓄水前应力变化较明显应力集中现象墙体受力状态产生利影响知混凝土弹模越高墙体应力越高墙体受水压力影响越适应覆盖层间变形塑性混凝土防渗墙表现出较应力状态
32覆盖层静力参数条件墙体应力变形分析
覆盖层直接墙体接触材料深厚覆盖层成类型复杂结构松散覆盖层力学参数必防渗墙应力变形产生较影响河床覆盖层选取两组参数条件进行敏感性分析墙体渗透系数 K 取 10×106cms墙体弹模分取刚性墙 E295GPa 塑性墙 E06GPa相关模型参数表 2 防渗墙覆盖层相关参数表示变形模量较组参数称高参数变形模量较组参数称低参数溶洞灌浆基础研究覆盖层静力参数防渗墙应力变形影响
表 2 防渗墙覆盖层相关参数表
材料
n
Rf
m
K
k(cms)
孔隙e
ϕ°
低参数
044
083
038
650
31×104
0832
18
高参数
042
088
026
790
2×103
0812
25
回填土
041
089
025
950
38×103
0795
36
图 7 蓄水期覆盖层力学参数条件防渗墙应力分布云图图墙体水侧受拉背水侧受压墙体水位移覆盖层力学参数增减底部基岩约束作伸入基岩应力幅减应力均出现基岩面覆盖层交界处覆盖层材料参数墙体应力差明显拉应力高达 83Mpa塑性墙覆盖层参数较低条件较协调墙体覆盖层间变形表现出较力学状态覆盖层参数越高水位移越说明相条件覆盖层材料间结合越紧密抗变形力越强
a 低参数刚性墙 b 低参数塑性墙 c 高参数刚性墙 d 高参数塑性墙
图 7 蓄水期覆盖层力学参数条件防渗墙应力分布云图
4结
文基相关理研究结合伙房水库基防渗墙实际施工概况通建立三维限元分析模型研究分析深覆盖岩溶基防渗墙应力变形性结：
（1）施工期墙体受应力差异明显溶洞存墙体易发生应力集中现象蓄水墙体整体背水侧弯曲引起防渗墙水侧受拉背水侧受土体压力作受压防渗墙沉降量发生防渗墙顶部底部受基岩约束水位移蓄水受水荷载作背水侧弯曲明显覆盖层水位移重新调整水位移受水荷载作变化明显整体背水侧偏移
（2）着混凝土弹模增刚性混凝土防渗墙拉应力远远塑性混凝土防渗墙塑性墙蓄水前保持较应力状态弹模墙体水位移差水位移受覆盖层力学性质影响覆盖层材料参数墙体应力差明显塑性墙覆盖层参数较低条件较协调墙体覆盖层间变形表现出较力学状态
参考文献
[1]吕高峰朱锦杰王玉洁 覆盖层防渗墙应力变形影响素敏感性分析[J] 浙江水利水电学院学报201628(01)4651
[2]潘家军饶锡保周欣华等 深厚覆盖层面板堆石坝新型结构应力变形性状影响素研究[J] 水利学报201546(S1)163167
[3]温立峰柴军瑞 深覆盖层面板堆石坝防渗墙应力变形分析[J] 长江科学院院报201532(02)8491
[4]牛坤 土石坝坝体混凝土防渗墙应力变形分析[J] 云南水力发电201430(06)6871+90
[5]陈剑卢廷浩结构型式接触面参数防渗墙应力变形影响分析[J]水利水电技术2003(11)3336
[6]潘迎蕴龙周溪曹学兴 河谷形深覆盖层中防渗墙应力变形影响分析[J] 岩土力学201334(07)20232030
[7]林建锋 建新水库加固塑性混凝土防渗墙应力变形分析[J] 黑龙江水利科技200937(05)2023
[8]贾华宾伍玉等 长河坝心墙堆石坝基防渗墙应力变形分析[J] 水资源水工程学报2008(03)7275
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