土工膜應用于山口水庫魚苗孵化池防滲的計算與分析

朱 亮

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，烏魯木齊 830052)

土工膜應用于山口水庫魚苗孵化池防滲的計算與分析

朱 亮

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，烏魯木齊 830052)

采用鄧肯張材料本構模型和滲流的流固耦合方法對魚池復合土工膜防滲問題進行了計算。主要分析了復合土工膜作為魚池的防滲體時，池頂穩定滲流期能否滿足安全要求；土工膜能否有效降低池身內的浸潤線和減小池壁的滲流量。結果表明能夠達到預期效果。文中方法為檢驗魚池防滲設計方案的合理性提供了依據。

土工膜；應力應變；滲流；計算；方法

山口水庫魚苗孵化池位于山口水庫上游右岸。依據地勢在水庫邊用天然戈壁料填筑而成，魚池蓄水后，由于魚池內外形成由上游向下游的滲流。滲流不僅使魚池損失水量，增大魚池補水量，降低了魚苗孵化池的水溫，還易引起流土等滲透變形，這對魚池邊坡穩定不利。因此防滲成為魚池正常運行時需要考慮的重要問題，必須采取防滲措施以減少滲漏，保證魚池的滲透穩定和孵化魚苗安全。隨著人工材料的發展，近些年來，復合土工膜作為一種防水材料開始用于各種工程防滲中。復合土工膜是用土工織物與土工膜復合而成的不透水材料，它主要用于防滲，其抗拉、抗撕裂、頂破等物理力學性能指標高，能滿足水利、市政、建筑、交通、地鐵、隧道等土木工程需要。由于其選用高分子材料且生產工藝中添加了防老化劑，還可在非常規溫度環境中使用[1]。本文將運用有限元軟件，采用鄧肯張材料本構模型和流固耦合滲流分析方法對土工膜應用于山口水庫魚苗孵化池防滲這一問題進行相應的計算和探討，以分析其對池壁應力應變和滲流的影響。

1 計算原理及方法

1.1 魚池池身材料本構模型

本文采用鄧肯張E-B模型作為魚池池身的本構模型。鄧肯等人根據土料三軸試驗的偏應力與軸向應變近似呈雙曲線的假定，提出鄧肯張模型。該模型的切線彈性模量表達式為：

(1)

式中：s為應力水平，表示材料抗剪強度的發揮程度，表達式為：

(2)

考慮土體的強度非線性時，內摩擦角為：

(3)

式中：φ0為σ3=pa時的φ值；Δφ反映φ值隨σ3而降低的幅度。

切線體積模量的表達式為：

(4)

式中：c為黏聚力；為內摩擦角，Rf為破壞比；pa為單位大氣壓力；K、Kb、m、n為模型參數，均由常規三軸試驗得出。

1.2 滲流計算方法

本文采用非飽和滲流的流固耦合方法進行滲流計算[2]，典型邊界條件示意圖如圖1所示。其中各條的邊界條件具體情況為：①S1是魚池水位以下部分，邊界條件為池內已知總水頭。②S2是池外庫水位以下部分，邊界條件為池外庫水位已知總水頭。③S3是壩基不透水基巖，為不透水邊界條件，通過該邊界的流量為零。④S4為浸潤線，其位置是未知的。該邊界上孔隙水壓力為零。⑤S5為自由滲出段邊界，孔隙水壓力為零，且滲流只能沿著下游坡面。在有限元軟件中，該種邊界條件只允許孔隙水從分析區域中流出，而不允許水流進入。

圖1 魚池非飽和滲流示意圖典型邊界條件

2 算例計算

山口水庫魚苗孵化池池身用砂礫石填筑而成，采用復合土工膜鋪設在池內作為防滲體。池身最高7m，壩頂寬5m，魚池水位絕對對高程915.5m。上游平均壩坡為1∶2.5，下游平均壩坡為1∶2.5。壩殼料鄧肯張E-B橫型參數如下：K為500；n為0.35；Rf為0.80；C為50kPa；φ0為30°；△φ為0°；Kur為800；Kb為470；m為0.15；ρ/g·cm-3為2.4g/cm3。壩殼料滲透系數為3.91×10-6m/s；復合土工膜滲透系數為1.20×1012m/s。

本文考慮竣工期和穩定滲流期兩種工況。根據壩體施工分層填筑的實際情況和壩體材料的非線性特性，采用逐級施加荷載的方法填筑上升。計算模型中的荷載按照壩體施工填筑的先后次序分12級來模擬，順序如下：①第1～2級：上游圍堰分兩層逐級加載；②第3～11級：壩體分九層逐級加載，包括下游排水棱體；③第12級：水庫蓄水至112.5m相對高程。有限元網格共劃分943個節點，860個單元，應力應變計算時單元類型為CPE4單元，即四節點四邊形平面應變單元，滲流計算時單元類型為CPE4P單元，即四節點四邊形平面應變及孔隙壓力單元。

3 計算成果與分析

本文主要討論計算結果中壩殼料堆石體的位移、應力、應變，以及大壩整體的滲流量。首先將計算結果中竣工期與穩定滲流期壩體的各物理量極值提取出來，見表3。其中，垂直位移向下為正；水平位移向上游為負，向下游為正；應力和應變受壓為正，受拉為負。通過對從表中的極值進行分析得出，壩體產生的應力應變在安全范圍以內，能夠滿足安全要求。

繪制土石壩的孔隙水壓力等值線圖，如圖3所示。從計算結果中提取迎水面上各節點的滲透流量值，相加之后得到該計算模型的滲透流量為3.03×10-5m3/(s·m)，滿足安全運行要求。從孔隙水壓力等值線圖中可以得出，孔隙水壓力為0的線即為浸潤線，孔隙水壓力等值線在土工膜部位急劇下降，說明防滲效果明顯。

表3 大壩應力應變極值和滲流量

圖3大壩孔隙水壓力等值線圖

4 結 語

本文運用有限元軟件，采用鄧肯張材料本構模型和滲流的流固耦合方法對土石壩復合土工膜防滲問題進行了計算。通過對結果的分析，主要得出以下結論：①采用復合土工膜作為魚池的防滲體，可以滿足壩體在穩定滲流期的穩定安全要求。②復合土工膜能夠明顯降低魚池池身內的浸潤線，并明顯減小魚池池身的滲流量，為魚池的正常運行提供了保障。本文的方法為檢驗土石壩防滲設計方案的合理性提供了依據，同時證明了采用有限元方法計算此類的可行性，為相關類似工程的分析提供了參考和借鑒。

[1]竇寶松.土工膜的作用機理及其在水利水電工程中的應用[J].水利水電技術，2000(04):87-89.

[2]代凌輝，張玓，楊衛元.土石壩滲流的流固耦合方法計算分析[J].黃河水利職業技術學院學報，2013，25(02)：10-11,16.

1007-7596(2014)03-0105-02

2013-10-09

朱亮(1985-)，男，新疆烏魯木齊人，工程師，從事水利工程施工管理研究工作。

TV44

B