基于强度折减法的膜袋坝受力变形研究.pdf

第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,2023收稿日期 2022-09-20作者简介 冯 臻(1975-),男,陕西渭南人,高级工程师,研究方向为水利水电工程.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.10.017基于强度折减法的膜袋坝受力变形研究冯 臻(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司,乌鲁木齐 830002)摘 要土工膜袋在实际工程中得到广泛应用,有学者提出运用土工膜袋构筑膜袋坝的设想,学界也给出土工膜袋稳定性的研究成果,为其提供理论支撑。但实际工程受力复杂,膜袋坝的稳定性与受力情况的内在机理有待进一步研究。以某市河谷坝区为研究对象,采用颗粒流程序 PFC,构建接触黏结模型和线性模型两种本构模型;基于强度折减法,分析在强度降低条件下构筑的膜袋坝的内部应力变化特征及变形响应规律发现,不论是第一层膜袋、第二层膜袋或是膜袋坝主体,总压力与折减系数的变化趋势几乎相同。具体表现为:随着折减强度的增大,坝体的总体拉力呈现增大的趋势,验证了土工膜袋在膜袋坝稳定性降低的过程中,在膜袋与膜袋之间的嵌固、摩擦等作用下,使其拉力增加,进而提高坝体的稳定程度,具有比均匀边坡更高的安全性。单个膜袋与膜袋坝拉力变化相同,膜袋与其内部或膜袋与膜袋之间的拉力通过坝体层间作用产生,并随着坝体稳定性的降低逐渐提升,以此来抵抗膜袋坝的失稳。关键词膜袋坝;强度折减法;变形;颗粒流中图分类号 TV649 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)10-0082-051 概 述水坝等水利工程不仅为下游社会经济的稳定发展提供了重要保障,而且带动了周边居民的水产养殖等行业发展,但带来便利的同时也带来诸多挑战。以普通水坝为例,水坝的修建可以调节水位、集中水头,但其工程量大,施工时需考虑因素较多,且土石料需求量巨大。由于雨季、旱季水位的不同,在长期干湿循环作用下,坝体内部的抗变形能力下降,容易造成水坝变形、边坡失稳等现象,进而威胁周围或下游居民的人身财产安全1-5。为此,许多学者提出采用土工膜袋修筑膜袋坝的构想。因为膜袋坝可以在节省大量土石填料的同时,能够大幅提高水坝坝体的抗变形能力。为了验证这一构想的可行性,对土工膜袋的工程性质和力学性能进行分析研究。方建瑞6提出了树根桩与土工膜袋联合治理水下边坡稳定性不足的方法,通过分析计算并结合实际工程效果发现,树根桩与土工膜袋联合法具有良好的抗滑抗剪能力。张贞瑜7以实际围堰工程为例,针对围堰土工膜袋的施工技术进行了分析,并对土工膜袋的施工质量控制要点进行了探讨研究,提出了围堰土工膜袋施工中质量及施工问题应对措施。吴晓光8通过李家峡水电站,介绍了滑坡体坍塌体中土工膜袋的应用方法,总结了针对此类滑坡体中土工膜袋的施工工艺及施工注意要点。上述研究成果表明,土工膜袋具有较高的稳定性和力学性能。但对膜袋坝的作用机理、变形特征等方面的研究有所欠缺,且实际情况更为复杂,针对膜袋坝的实际应用效果有待进一步探讨。因此,本文基于强度折减法,分析膜袋坝在强度降低条件下的力学和变形特征,为实际施工应用提供一定的理论支撑。2 工程概况坝区位于新疆策勒县,塔克拉玛干大沙漠南缘,远离海洋,以干旱著称。坝线全长 1 428.30m,坝顶高程1 311.20m,最大坝高7.7m。坝前坡从外28冯 臻:基于强度折减法的膜袋坝受力变形研究第 10 期向里结构:上游坝坡为 1:2.5,下游坝坡为 1:2,池底高程 1 303.50m。坝体膜袋砼厚 15cm,结构型式由上至下依次为:膜袋砼厚 15cm+两布一膜(200g/0.5mm/200g),为削减风浪对护坡产生的下滑力,在坝坡脚处设膜袋砼阻滑墙一道,阻滑墙设计宽 4m、厚0.15m、埋深 40cm;坝顶宽 5m,沥青混凝土路面厚 3cm;上游坝肩设预制混凝土路沿石,长宽高=1m0.3m0.5m。3 模型建立3.1 参数及本构模型的选取颗粒流程序 PFC 可以通过颗粒之间的接触,给出相关的本构模型,并以所给出的本构模型模拟不同材料的各种性质。同一本构模型中,可能包含有多种不同材料或力学性能差异较大的材料,可通过对不同材料或力学性能差异较大的材料进行分组胶结,将所采用的本构模型差异化,进而解决原模型无法具体体现某种特定材料的问题。颗粒流程序 PFC 中总计包含 10 种模型,本文土工膜袋以及膜袋内混凝土分别采用接触黏结模型和线性模型。其中,土工膜袋以及膜袋内混凝土的本构特性见图 1。图 1 中,Fc为接触力;TF为抗拉强度;SF为抗剪强度;ks为切向刚度;kn为法向刚度;Dc为接触间距;为摩擦系数。图 1 土工膜袋以及膜袋内混凝土的本构特性 由于膜袋坝由多个部分组成,因此本文将模型分为土工膜袋、墙体、边界3 个部分进行参数选取。首先对土工膜袋的参数进行确定。土工膜袋为接触黏结本构模型,其中膜袋颗粒的直径d 为 2.0mm,TF为30N,ks与 kn均为1 000N/m,为 0.5,膜袋坝中的颗粒总数为 15 879,接触总数为 53 518。由于墙体与颗粒之间接触模型为线性模型,因此只需要确定3 个参数,法向刚度 kn、剪切刚度与摩擦系数,其取值分别为 1108N/m、1108N/m 和 0.5。最后需要确定边界条件,使其处于理想的实验环境中,本文将长度定为 0.45m,宽度定为 0.03m,膜袋坝坝体高度设为 0.1m。3.2 折减系数的确定强度折减法是基于研究对象的参数,将其逐渐减少,直至研究对象发生破坏,进而获取其安全系数。本文研究膜袋坝与其混凝土强度的折减,分析膜袋坝与混凝土强度在稳定性降低过程中内部变形和应力变化特征,以此来揭示土工膜袋对坝体的稳定性增强的内在机理。折减系数取值在 1.23.0 之间,其中每个取值的增量均为 0.2。在对颗粒流数值的计算中,不设终止条件,但通常以平衡力小于 110-5时认为颗粒速度已达最低,将其定为模型的受力稳定状态。4 强度折减下的变形响应分析为了定量体现在强度折减下的膜袋坝变形特征,本文设置 10 个监测点,分别为 B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10。通过监测强度降低下的膜袋坝水平位移数据绘制图 2,图 2 为膜袋坝水平位移随折减系数变化图。从图 2 可以看出,10 个监测点的数据显示随着折减系数的增大,折减强度的增大稳定在总体上呈现出降低的趋势。进一步观察可以发现,在折减系数为 2.0 时,各监测点的水平位移均出现波动,水平位移有小幅度的减小趋势;折减系数在2.0 时,为明显的拐点。在折减系数为1.02.0 区间段内,水平位移增量较大,增长率较大;随着折减系数达到 2.0,水平位移小幅度减小之后整体上也呈现出增大趋势,但增量增幅均不如折减系数为 1.02.0 区间段的水平位移。与膜袋坝不同的是,均匀边坡的变形会随着折减系数38第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,2023的增大而增大,并在达到临界值后,变形量增长更为剧烈。产生此种不同现象的内在原因在于土工膜袋的存在,不但增强了膜袋与内部混凝土的抗剪强度,而且增加了多个膜袋之间的嵌固和摩擦力,使膜袋坝在实际受力中更加稳定。为了分析膜袋坝受力的内在机理,通过数值模型,提取第一层、第二层膜袋总拉力和膜袋坝总拉力,并将 6 个膜袋按 1-6 进行编号。具体见图 3、图 4。图 2 各监测点的水平位移与折减系数变化图图 3 单层膜袋与膜袋坝总压力随折减系数变化图48冯 臻:基于强度折减法的膜袋坝受力变形研究第 10 期 图 3 为第一层膜袋、第二层膜袋与膜袋坝总压力随折减系数变化图。从图 3 可以看出,不论是第一层膜袋、第二层膜袋或是膜袋坝主体,总压力与折减系数的变化趋势几乎相同。具体表现为,随着折减强度的增大,坝体的总体拉力呈现增大的趋势。这一现象佐证了土工膜袋在膜袋坝稳定性降低过程中,在膜袋与膜袋之间的嵌固、摩擦等作用下,使其拉力增加,进而提高坝体的稳定程度,具有比均匀边坡更高的安全性。为了进一步分析每个膜袋的拉力变化,以第二层膜袋的总拉力为例,对 1-6 号膜袋的第二层膜袋总拉力数据进行提取分析,见图 4。图 4 1-6 号膜袋第二层膜袋总拉力在不同折减系数下的变化趋势 图 4 为不同折减系数下的 6 个膜袋总拉力变化趋势。从图 4 可以看出,在折减系数一定的情况下,第二层膜袋总拉力随着编号的增大,其总拉力也随之越大;同一编号的膜袋下,折减系数越大,其膜袋的总拉力越大。结合图 5 中不同膜袋的第二层膜袋总拉力随折减系数变化情况,可以更进一步看出,随着折减系数不断增大,折减强度增加,1-6号膜袋的拉力整体上均呈现出增大的趋势,并且随着膜袋编号的增大,总拉力也呈现增大的趋势。因此,结合图 3 的分析结果可以得出,单个膜袋与膜袋坝的拉力变化相同,其膜袋与内部或膜袋与膜袋之间的拉力通过坝体层间作用产生,并且随着坝体稳定性的降低逐渐提升,以此来抵抗膜袋坝的失稳。对比均匀边坡,膜袋坝由于膜袋与内部混凝土以及膜袋与膜袋之间的嵌固、摩擦作用,使膜袋坝形成更为稳定的坝体,不会像普通均匀边坡那样破坏具有牵连性,因此土工膜袋构筑的膜袋坝的在坝体应用上具有更高的稳定性。58第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,2023图 5 不同膜袋的第二层膜袋总拉力随折减系数变化情况5 结 论本文以某市河谷坝区为研究对象,采用颗粒流程序 PFC,构建了接触黏结模型和线性模型两种本构模型;基于强度折减法,分析在强度降低条件下构筑膜袋坝的内部应力变化特征及变形响应规律。结论如下:1)不论是第一层膜袋、第二层膜袋或是膜袋坝主体,总压力与折减系数的变化趋势几乎相同。具体表现为:随着折减强度的增大,坝体的总体拉力呈现增大趋势,验证了土工膜袋在膜袋坝稳定性降低过程中,在膜袋与膜袋之间的嵌固、摩擦等作用下,使其拉力增加,进而提高坝体的稳定程度,具有比均匀边坡更高的安全性。2)单个膜袋与膜袋坝拉力变化相同,膜袋与其内部或膜袋与膜袋之间的拉力通过坝体层间作用产生,并随着坝体稳定性的降低逐渐提升,以此来抵抗膜袋坝的失稳。参考文献1 谷艳昌,王士军.水库大坝结构失稳突发事件预警阈值研究J.水利学报,2009,40(12):1467-1472.2 陈雄.大坝失稳风险分析及水库可持续发展评价系统开发与应用D.南京:河海大学,2007.3 李元奇,曹磊芳.尾矿库边坡失稳主要影响因素及处理措施J.吉林水利,2019(3):54-57.4 王胜,赵雪.考虑孔隙水压效应的非饱和土边坡失稳分析与防滑对策J.沈阳大学学报(自然科学版),2015(1):64-68.5 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