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HDPE土工膜和增模区的设计优化

20世纪80年代以来,HDPE土工膜在水利水电工程中的应用呈现出日益增强的趋势【1-3】。最近几年,中国山东省泰安和江苏省溧阳等地的大型储能电站均大规模采用HDPE土工膜作为库底防渗材料【3-6】。相较于混凝土面板等刚性防渗结构,聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)等柔性HDPE土工膜因其良好的适应下部填充体变形性能而受到青睐,但在特殊及薄弱位置的安全性和适用性问题上,国内外的研究尚不充分且缺乏系统性。《土工合成材料应用技术规范》(GB/T 50290-2014)明确规定,在1级、2级建筑物及高坝中采用HDPE土工膜进行防渗设计时应通过专门论证。

因此,在高坝或关键工程中运用HDPE土工膜实施防渗时,应当结合具体工程条件与HDPE土工膜自身的物理力学特性,通过深入研究确保防渗工程的安全稳定。当前,主要研究手段包括实验法【7-12】和数值分析法【13-20】,其中数值分析法已被广泛应用到HDPE土工膜防渗安全性评估中。

根据已建成工程的经验教训,HDPE土工膜锚固区域以及挖填交界处往往存在两侧材料差异显著的问题,蓄水后局部基础可能出现不均匀变形,从而导致铺设其上的HDPE土工膜承受过大拉伸应变,甚至超出材料本身的延伸率而导致破坏,进而引发水库渗漏的发生和发展【18, 22-23】。为应对这类情况,实际工程实践中通常采取预留适当超高或凹槽、调整下层支撑材料模量等措施,以缓冲局部的不均匀变形影响【19, 24-26】。

然而,在针对防渗HDPE土工膜下层支撑层局部变形适应性的设计方面,目前的研究成果较为有限,类似工程实践经验也相对不足,所以亟需采用数值分析方法进行深度探究,并提出切实可行的工程对策,科学合理地降低HDPE土工膜在锚固区和挖填交界处所受的局部拉伸应变,最终确保工程安全运行。

在建抽水蓄能电站上水库的进、出水口所采用的标准横截面设计如图1所示,该设计包含了坡度为1:6.5的前池反倾斜段以及一段长度达30.0米的水平段结构,其中水平段的海拔高度设定为219.0米,并在其末端设置了用于排水观测的廊道,而进、出水口的水流路径与坝轴线保持一致。前池区域采用了HDPE土工膜进行防渗处理,其与排水观测廊道混凝土结构之间的连接细节展示在图2中,两者之间通过机械螺栓锚固方式进行固定连接;HDPE土工膜下方则铺设了库盆回填料,为了保护HDPE土工膜与下层回填料接触面,其间还设置了土工布作为隔离层。

当蓄水后,HDPE土工膜在水载荷的作用力下,特别是在锚固接合部位的小范围区域内,可能出现较为显著的不均匀变形现象,从而导致HDPE土工膜在这些位置承受较大的拉伸应力变形。因此,对于这部分区域的局部应力-变形特性,有必要进行深入细致的分析和评估,以确保整个防渗系统的安全性和稳定性。

基于上水库进/出水口的结构配置,构建了一个三维有限元模型(如图3所示)。该有限元模型并未将基岩纳入其中,并且未考虑基岩变形可能带来的影响,模型总共包含15,102个单元和15,702个节点。水流方向与坝轴线保持一致,鉴于进/出水口位置距离大坝主体较远,大坝对其结构应力及变形的影响可忽略不计,因此在建立计算模型时没有将大坝因素考虑进去。

 

然而,整体模型在锚固区域以及挖填交界处的网格尺寸较大,这不利于精确计算局部变形情况。为了解决这一问题,在邻近廊道锚固区域选取了一个代表性的单元进行子模型精细化分析。这个子模型的尺寸设定为长度2米、厚度0.33米,其在整体模型中的具体位置如图4所示。对该单元进行了详细的网格划分(见图5),特别是在靠近锚固部位,最小网格宽度被细化至0.003米。

 

子模型方法是在对整体模型进行计算的基础上,针对局部复杂特殊结构的一种模拟手段【27-28】。子模型两侧面及底部的位移边界条件是通过插值计算整体模型位移结果得到的,而子模型顶部则施加了水压力荷载边界条件。


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