黏土心墻壩應力場與滲流場耦合分析研究

徐 晶

(慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

黏土心墻壩應力場與滲流場耦合分析研究

徐 晶

(慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

土石壩是當今水利工程中應用最廣泛的壩型之一，防滲體系的構建在設計階段作用突出，國內外多起潰壩事故起因多是壩體滲漏變形導致。在這些誘因中，庫水位的升降引發的非穩定滲流問題最為突出，這決定了在實際工程中進行非穩定滲流場分析研究的必要性。文章結合工程實例，對黏土心墻壩進行滲流場與應力場耦合分析，通過與非耦合情況的計算結果對比，表明進行滲流場與應力場的耦合分析是符合工程實際的。

黏土心墻壩；穩定性；非耦合；耦合

0 引 言

土石壩是現在實際工程中應用最為廣泛的壩型，土石壩的滲流場是由飽和區和非飽和區組成的統一體。土石壩的滲流場由飽和區和非飽和區共同組成[1]，二者相互制約又相互聯系。影響因素諸多，降雨量、水位的變化等均能改變飽和區和非飽和區的作用區域，理論上單獨對非飽和區的滲流研究更能反映工程實際，假如單獨進行飽和區的滲流分析，直接加大了計算難度，伴隨著有時計算陷入死循環難以求解。

影響非飽和滲流運動的因素眾多，且形態也較復雜，比如固、液、氣三種不同形態、溫度、體積比、壓強和空氣壓力等，從力學角度范疇將這是多因子相互作用的共同結果，也是相互耦合的受力變化過程。目前國內隨著多年的研究發現，對于非飽和滲流參數的確定至關重要，參數的確定才能計算分析得出非飽和滲流的滲流場分布規律[1]。為使更加密切聯系工程實際，并為工程設計運行提供正確合理的理論依據，足以見土石壩飽和-非飽和滲流場的數值模擬分析的重要性。

1 土石壩滲流場與應力場耦合分析

1.1 滲流場與應力場的相互影響[2]

一般情況下，土體中各成分均處于平衡狀態，一旦受到外力作用破壞土中的水平衡狀態，土體中的滲流場和應力場勢必會發生改變。在多孔巖土介質理論研究中，若土體內部產生水頭差，進而導致水體滲流，產生的動水力將以滲流體積力的形式作用于巖土介質，滲流體積力成為外部載荷的滲透力，作用于巖土介質的應力場，引發位移場的相應變化，相應的孔隙比、孔隙率產生改變。在多孔介質中，孔隙比變化與土體滲透系數關系密切，滲透系數的改變影響滲透性能，進而巖土介質的滲流場也會相應發生變化。從原理上講巖土介質的應力場和滲流場相互聯系又相互統一，反映出兩場之間的耦合關系，這種關系帶來的影響在巖土介質運動過程中時刻都在發生。

1.2 滲流場與應力場耦合的有限元方程

非飽和土壤介質的土體本構模型，即非飽和土介質的增量應力應變關系[3]，如下：

(1)

這個增量關系可簡寫成

{△σ}=[D]{△ε}-[D]{mH}(ua-uw)+{△ua}

(2)

式中：[D]為排水本構矩陣，

如果進一步假設在任何時間空氣壓力保持為大氣壓力，則方程(4.2)可變為

{△σ}=[D]{△ε}+[D]{mH}uw

(3)

當土單元為完全飽和時，土結構的總應力可寫成

{△σ}=[D]{△ε}+{m}△uw

(4)

式中：{m}為單位各向同性張量，(1 1 1 0)。

對比后兩個方程可以看出，當土體彎曲飽和時：

[D]{mH}={m}

(5)

對線彈性材料，土體完全飽和時下式是成立的。

(6)

2 工程實例

2.1 工程概況

某水利樞紐工程規模為大(1)型一等工程，主要水工建筑物包括大壩、泄洪洞、引水發電隧洞和電站廠房。水庫總庫容16.24億m3,電站裝機350MW,綜合效益以灌溉為主,兼有發電、防洪等效益。大壩為黏土心墻壩 ,正常高水位為994.0m，設計洪水位為998m，校核洪水位為1001.3m，最大壩高105m,壩頂長358m, 壩頂寬度14m[4],大壩的典型斷面如圖1。

圖1某大壩典型斷面剖面圖

2.2 計算模型

計算模型的范圍選?。涸擆ね列膲巫畲髩胃邽?05m, 分別沿壩踵上、下游各取100m,約1倍的壩高，Y方向，從基巖面豎直向下取100m。

計算坐標系定義如下：X向為順河流方向指向下游為正；Y向為豎直方向指向上為正。有限元網格劃分：采用三角形和四邊形單元相結合的形式進行單元剖分。模型剖分后單元總數6224個，結點總數6285個。大壩有限元模型[5]如圖2所示。

圖2 大壩有限元模型

2.3 計算參數

根據實驗資料，統計出壩體和壩基各材料參數見表1和表2。

表1 壩基材料參數表

表2 壩體材料參數表

研究庫水位從正常水位998m以1m/d速度下降到死水位966m水位，下游水位為916.4m保持不變的情況下滲流場與應力耦合分析。

2.4 計算結果

1)滲流場變化

圖3 非耦合情況下歷時6d的總水頭變化等值線圖

圖4 耦合情況下歷時6d的總水頭變化等值線圖

圖5 非耦合情況下歷時2d孔隙水壓力等值線圖

圖6 耦合情況下歷時2d孔隙水壓力等值線圖

圖3和圖4為庫水位下降速度在1m/d時歷時6d對應的總水頭線分布圖。圖3-圖5和圖3-圖6為庫水位下降歷時2d時的孔隙水壓分布圖。

由于心墻料滲透系數遠小于壩殼料，庫區水位下降時，壩殼料的浸潤線高度與庫水位下降同步，滯后性不明顯。但隨著時間變化，心墻料浸潤線的滯后現象非常明顯。浸潤線以下壩殼區和壩基區，耦合情況下的總水頭值和孔隙水壓力值相比非耦合情況數值均偏大。

2)位移場變化

通過計算可得到庫水位下降工況下的水平位移和豎直沉降量，如圖7-圖10。

圖7 非耦合情況下歷時2d的位移分布等值線圖

圖8 耦合情況下歷時2d的位移分布等值線圖

圖9 非耦合情況下歷時2d的壩體豎直沉降分布等值線圖

圖10 耦合情況下歷時2d的壩體豎直沉降分布等值線圖

圖7、圖8為耦合與非耦合情況下庫水位下降速度工況下對應的水平位移分布，圖9和圖10為豎向沉降量分布圖。

庫水位下降時壩體上、下游分別向各自方向移動，同時受水壓力作用，這個壩體趨向下游移動。水平位移變化最小值產生于上游堆石料內，約壩高的2/5位置處。耦合情況下整體位移變化值大于非耦合情況，最大值分布區的水平位移耦合情況下小于非耦合情況，這是因為孔隙水壓力消散時產生向上游的壓力，降低了上游堆石區的水平位移變化，同時推動了下游堆石區的位移變化。

壩體豎向沉降量隨庫水位下降不斷增大，達到最大值后保持不變。沉降量耦合情況明顯>非耦合情況，其原因也是由于土體孔隙水壓力消散導致的。

3)應力場變化

通過計算，可得到不同時刻的壩體大主應力和小主應力的等值線分布圖。計算結果如圖11-圖14。

圖11 非耦合情況下歷時0d大主應力分布等值線圖

圖12 耦合情況下歷時0d大主應力分布等值線圖

圖13 非耦合情況下歷時0d小主應力分布等值線圖

圖14 耦合情況下歷時0d小主應力分布等值線圖

圖中可看出耦合情況下的應力值小于非耦合情況。隨著庫水位的下降，非耦合情況下，應力變化隨時間推移逐漸減小，達到一定值后，應力緩慢回升并趨于穩定狀態。應力分布與深度呈線性關系，耦合情況下滲流場受到孔隙水壓力的作用，心墻底部的應力值變小，拱效應極易產生，對壩體的安全穩定性造成極大威脅。

3 結 論

文章在對土石壩滲流場與應力場耦合分析原理的基礎上，結合某黏土心墻壩，建立有限元計算模型，分析在庫水位以一定速度下降工況下壩體滲流場和應力場耦合作用，計算得到大壩的滲流場、應力場、位移場的各分布曲線圖，并與非耦合情況下的滲流場和應力場單場進行對比分析，驗證了在土石壩穩定性分析中考慮滲流場和應力場耦合的必要性。

[1]顧慰慈．滲流計算原理及應用[M]．北京：中國建材工業出版社，2000.

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

[3]毛昶熙．滲流計算分析與控制[M]．北京：中國水利水電出版社，2003：1-63，89-124，306-342.

[4]殷建華，陳健，李悼芬．考慮孔隙水壓力的土坡穩定性的剛體有限元上限分析[J]．巖土工程學報，2003，5(03)：273-277.

[5]王學武，馮學鋼，王維早．庫水位升降作用對庫岸滑坡穩定性的影響研究[J]．水土保持研究，2006,12(05)：232-237.

1007-7596(2017)08-0035-04

2017-07-16

徐晶(1982-)，女，黑龍江克東人，工程師。

TV641

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