深厚覆蓋層地基非穩定滲流場與應力場耦合分析研究

趙 巍，牟 宏

(大慶市松嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163311)

?

深厚覆蓋層地基非穩定滲流場與應力場耦合分析研究

趙 巍，牟 宏

(大慶市松嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163311)

在深厚覆蓋層地基的基礎上筑建大壩，壩體與壩基的穩定性至關重要，其評價指標之一是滲流場與應力場的相互作用及影響。這種復雜地基的巖體力學特征單一且不穩定，相互影響表現在應力場改變滲流場的滲透系數，反之滲流場改變應力場的空間分布。文章假定地基為連續介質，在多孔連續介質滲流與應力相互耦合的理論基礎上，分析研究二者之間的相互作用，并開發適用于此地基的滲流場與應力場耦合的有限元計算程序，應用于工程實例中，所得計算結果及結論在實際工程中具有一定的指導意義。

深厚覆蓋層；地基；非穩定滲流場；應力場；耦合

1 緒 論

2 三維非穩定滲流場與應力場計算模型

2.1 應力場影響下的非穩定滲流場計算模型

在多數工程實際的滲流研究中，滲流運動一般在多孔巖土介質中多有出現，多數產生于上下面存在水頭差的情況下，這樣導致的水體的滲流運動中，介質外界作用力來源于滲流帶來的體積力和動水壓力，作用力直接影響介質的應力場，而造成介質位移場的相應變化。現目前在國內對多孔巖土介質進行應力場受力分析時，絕大多數忽略滲流場帶來的影響，同時將滲流作用下水體的變化作用常當做靜水壓力來分析。一般情況下，假定外界環境沒有變化，滲流場與滲透體積力的的分布呈線性分布關系，二者的變化一一對應。

三維連續介質應力場作用的非穩定滲流場模型為[2]：

(1)

式中：h為水頭分布函數；Ω為滲流自由面下的壩基范圍；k各向同性的滲透系數，表達式如下：

(2)

式中：Γ1為水頭邊界；Γ2為流量邊界；Γ3為滲流自由面邊界；n2為Γ2法線方向，n3為Γ3法線方向。

2.2 滲流場影響下的應力場計算模型

因此，在高巖溫發電引水隧洞結構設計中，可定性發現在施工期，高巖溫對發電引水隧洞支護結構由于熱脹效應而形成壓應力；在運行期，圍巖和運行低水溫形成內外高溫差荷載效應，會造成支護結構應力改變；而在檢修期，支護結構溫度回升又重新變成壓應力狀態。由此分析發現，初始圍巖溫度和運行水溫是構成高巖溫發電引水隧洞荷載條件的主要內容，國內雖開展了圍巖內的溫度場分布規律及其影響因素[13-15]的研究，但均缺乏從開挖、養護和運行全過程的溫度響應分析。因此有必要開展高巖溫發電引水隧洞支護結構全過程溫度場分析，探討不同初始巖溫的溫度場的分布規律，為高巖溫發電引水隧洞結構分析奠定基礎。

在壩體的應力研究中，因滲流場產生的滲透壓力作用于巖體和土體介質，作用力導致介質應力場和位移場出現變化，反之介質應力場的改變使滲流特性發生相應變化，如介質的體積應變、孔隙率；基于多孔介質的滲透系數受孔隙率變化的影響，滲透系數的改變導致滲透性能的改變，進而影響到介質的滲流場和滲流分布規律。應力場對滲流場的作用機理：應力場對介質中體積應變、孔隙率的改變直接影響到孔隙的分布情況，進而使土體介質的滲透性發生變化，影響到滲流場的分布。

同樣可得出三維連續介質滲流場影響下應力場的計算模型為[3]：

(3)

式(1)和(3)合并后得出深厚覆蓋層地基介質非穩定滲流場與應力場相互耦合的計算模型。

3 工程實例

某面板堆石壩壩址處于西南地區的金沙江支流上，壩基為砂礫石層的深厚覆蓋層地基，壩體最大壩高45m，正常蓄水時上游水位高度40m，下游水位高度10m，壩基深厚覆蓋層70m[4]，滲流量過壩體流量遠小于壩基，假定壩體滲流不計入大壩的滲流場進行計算。文章分析采取10m大壩段進行滲流場與應力場耦合計算。坐標系：X軸由左岸指向右岸為正，Y軸由順河向上游指向下游為正，Z軸為豎直向上為正。計算時考慮的荷載：大壩自重、靜水壓力、滲透水壓力、深厚覆蓋層自重，不考慮浪壓力、揚壓力等動水荷載。計算模型選取：沿上游壩基向上游取50m，同時沿下游壩趾取50m，計算模型的有限元單元選取八結點正六面體等參單元，共剖分生成450個節點，192個單元[5]。壩體最大縱剖面示意圖和有限元網格剖見圖1和圖2。

圖1 壩體及覆蓋層壩基剖面示意圖

圖2 有限元網格剖分圖

壩體材料、深厚覆蓋層壩基的物理力學參數[7]見表1。

表1 壩體及覆蓋層壩基物理力學參數

3.1 邊界條件

在耦合計算時，需得到初始滲流場的應用條件，這部分在穩定滲流場的前提下計算。該面板堆石壩壩基非穩定滲流場和應力場邊界條件[6]：

滲流場邊界條件：

水頭邊界條件已知：H|ABB′A′=35m；H|CDD′C′=5m。

流量邊界條件已知：QAEE′A′=QEFF′E′=QDFF′D′=0。

應力場邊界條件：

定義y向位移v|AEE′A′=v|DFF′D′=0;z向位移W|EFF′E′=0。定義貯存系數Ss=6.8×10-5。

3.2 計算結果

文章分析深厚覆蓋層地基面板堆石壩非穩定滲流場與應力場的耦合，基于連續介質的特點編寫計算程序進行計算。定義上游水位高度下降速度0.5m/d，下游水位保持不變，主要從不考慮和考慮耦合作用兩個方面，分別得出上游水位變化過程中壩基水頭、各向應力分布的分布圖[8]。

圖3-4分別為初始時刻不考慮耦合作用與考慮耦合作用下覆蓋層壩基滲流場計算結果及分布圖(取x=5.0m縱剖面上的壩基水頭分布)

圖3 初始時刻不考慮耦合作用壩基水頭等值線分布圖

圖4 初始時刻考慮耦合作用壩基水頭等值分布線

圖5-10分別為不考慮耦合作用和考慮耦合作用時應力場中應力分量σy、σz、τyz等值線分布圖，應力場取x=7.68m縱剖面上的應力分布。(定義壓應力為負，拉應力為正)。

圖5 不考慮耦合作用壩基應力

圖6 考慮耦合作用壩基應力場中應力分量

圖7 不考慮耦合作用應力場中應力分量

圖8 考慮耦合作用應力場中應力分量

圖9 不考慮耦合作用應力場中應力分量

圖10 考慮耦合作用應力場中應力分量

3.3 計算結果分析

計算結果分析由2部分組成：

3.3.1 滲流場計算結果分析

從圖示滲流場分布計算結果可得出，覆蓋層地基滲流場中考慮耦合的滲透系數明顯比不考慮耦合作用的水頭值大，其值表現為在初始時刻，不考慮耦合作用的壩基滲流量是4.43×10-4m3/s，考慮耦合作用的滲流量為4.12×10-4m3/s，足以證明耦合作用機理在壩體安全分析中的重要性。數值上的差異原因是在于耦合作用下，水壓力和滲透力共同作用下土體產生應力變形，介質孔隙率變小，滲透系數減小，進而過壩基的滲流性能下降[8]。但通過圖示發現即使壩基滲流量相對下降，但總體的滲流量數值依然很大，反應了深厚覆蓋層地基是一種強透水地基，在壩體的控制設計中對防滲處理應極為重視；壩基中的上游揚壓力明顯增大分析原因是在耦合作用下上游水頭抬高所致。

3.3.2 應力場計算結果分析

從圖示應力場分布計算結果可得出，上游水位的變化對覆蓋層地基中應力場分布影響效應不大。兩種考量結果下計算得出的各個應力分量等值線分布區別不大，最大的不同地方在于耦合作用后，土體介質在水壓力和滲透力的共同作用下，壩基的垂直位移變化值增大，各個應力分量均比未考慮耦合作用下的應力值增大。足以得見，假如在不考慮滲流應力二場耦合作用下壩體處于穩定狀態，實際很有可能壩體整體還是不穩定的。

通過對滲流場和應力場計算結果對比可以得出：河谷深厚覆蓋層是一種強透水地基形式，當考慮耦合作用時，介質孔隙率變小和滲透性下降導致過壩基的滲流量下降；大壩上游水位下降時，深厚覆蓋層內部水頭明顯滯后，此效應在耦合作用下更加突出；水位下降越大效應越明顯。

4 結 論

基于土體多孔介質的滲流場與應力場耦合作用機理，在三維非穩定滲流場的基本方程和定解條件基礎上，建立三維模型，并編制滲流場與應力場耦合作用的的有限元計算機程序，應用于工程實際，對建于深厚覆蓋層地基上的面板堆石壩進行計算，計算結果表明深厚覆蓋層地基這種強透水地基的滲流量明顯，必須重視防滲體系的建立。文章的研究成果對此類工程的設計施工具有一定的參考價值。

[1]陳海軍，任光明，聶德新．河谷深厚覆蓋層工程地質特性及其評價方法[J]．地質災害與環境保護，1996，7(04)：12-19.

[2]仵彥卿，張卓元.巖體水力學導論[M].成都：西南交通大學出版社，1995：23-41.

[3]柴軍瑞.論連續介質滲流與非連續介質滲流[J].紅水河，2002，21(01)：43-45.

[4]朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].北京：中國水利水電出版社，1998：15-21.

[5]陸麗．深覆蓋層地基土石壩滲流場與應力場的耦合分析[D]．西安：西安理工大學學位論文，2007.

[6]黃運飛，馮靜.計算工程地質學[M].北京：兵工業出版社，1992：46-47.

[7]楊志錫．各向異性飽和土體的滲流耦合分析和數值模擬[J]．巖石力學與工程學報，2002，21(10)：1447-1451.

[8]王曉鴻，仵彥卿．滲流場一應力場耦合分析[J]．勘察科學技術，1998(04)：3-6.

Coupling Analysis and Research of Unsteady Seepage Field and Stress Field on Deep Overlying Stratum

ZHAO Wei and MU Hong

(Daqing Urban Songnen Project Management Department, Daqing 163311, China)

To construct dams on deep overlying stratum, the stability of dam body and dam foundation is very important, one of the evaluation indexes is interaction and effect between the seepage field and stress field. The rock mass mechanical characteristics of the complex foundation is single and unsteady, their mutual effect shows that the stress field changes the seepage coefficient of seepage field, on the contrary, the seepage field changes the special distribution of stress field. It is assumed that the foundation is continuous media in this paper, the interaction between both is analyzed and researched based on porous continuous media seepage and stress inter-coupling, to develop a finite element calculation program suitable for the seepage field and stress coupling field on the foundation and to be applied in the project cases, the results and conclusion will have guiding meanings for the engineering examples.

deep overlying stratum; foundation; unsteady seepage field; stress field; coupling

1007-7596(2017)05-0032-04

2017-04-20

趙巍(1980-)，女，黑龍江大慶人，助理工程師；牟宏(1991-)，女，黑龍江大慶人，助理工程師。

TV223.4

B