壩基覆蓋層非穩定滲流場與應力場耦合分析

陳 微

(方正縣雙鳳水庫綜合服務中心，黑龍江 方正 150800)

1 概 述

深厚覆蓋層是一種地質復雜、結構條件差的地基，對大壩的滲流起著至關重要的作用。文章將連續介質滲流應力耦合開發程序應用到實際工程中，將研究對象看做連續介質進行滲流場與應力場耦合研究，進行3種工況下的計算，并對3種工況的計算結果進行詳細對比分析。結論表明在實際工程中考慮滲流應力耦合必要性和合理性。

深厚覆蓋層地質條件復雜，受力條件差，其帶來的繞壩滲漏、滲透穩定、沉陷及不均勻沉陷等問題對大壩的安全穩定性起著至關重要的作用[1]。壩基深厚覆蓋層的滲透和力學性質很大程度上決定壩體的穩定安全，在大壩蓄水期，因庫水位變化帶來的水荷載及大壩自重，壩基覆蓋層及壩體材料的物理性質不斷改變，這些因素都將對大壩安全造成一定威脅，因此正確合理地分析壩基滲流場和應力場的分布，對大壩的安全運行具有重要意義。

2 連續介質非穩定滲流場與應力場耦合原理

二維連續介質應力場影響下非穩定滲流場的數學模型[2]為：

(1)

式中：h=h(x,y,z)為水頭函數；k(σMij)=k(x,y,z)為各向滲透系數。

應力場函數數學模型為：

(2)

式中：Ω為滲流面下壩基區域；f1(x，y，z)為Γ1上水頭分布；f2(x，y，z)為Γ2上流量分布。

3 工程實例

3.1 工程概況

某工程位于甘肅省文縣境內，工程效益以發電為主，兼具生態灌溉功能。樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、引水洞、溢洪洞及發電廠房等組成，工程規模為二等大(2)型，大壩正常蓄水位為809m，最大壩高113m，壩頂寬12m，壩頂長度為352m，電站總裝機容量240MW，設計年發電量9.84億kW·h，水庫正常蓄水位庫容3.15億m3[3]。面板為不等厚，厚度t=0.5+0.003H，覆蓋層中的混凝土防滲墻與面板相連。

3.2 計算模型及參數

因繞壩滲漏小于壩基滲漏量，故不考慮該部分滲流。壩基覆蓋層分3層：上部含碎石砂礫石層厚32m，中部砂卵礫石層厚18m，底部砂礫石層厚14m。計算時外部荷載為水荷載、滲透水壓力荷載，壩體、覆蓋層和基巖自重。計算模型單元劃分采用八結點正六面體等參單元，共剖分1934節點，872個單元[4]。模型橫斷面示意圖，見圖1；有限元網格剖分圖，見圖2。壩體及壩基物理力學參數[5]，見表1。

圖1 模型橫斷面示意圖

圖2 有限元網格剖分圖

表1 壩體及壩基物理力學參數

3.3 邊界條件

覆蓋層基巖非穩定滲流場和應力場邊界條件定義為下：

1)滲流場邊界條件：水頭邊界：H|ABB′A′=800m；H|CDD′C′=700m。流量邊界：Q|AEE′A′=Q|EFF′E′=Q|EFF′D′=0。

2)應力場邊界條件：y向位移v|AEE′A′=v|DFF′D′=0；z向位移w|EFF′E′=0。

基于連續介質模型自主編制開發三維有限元耦合程序，并對該大壩的典型斷面進行3種工況計算。壩基覆蓋層非穩定滲流應力場耦合工況分析表，見表2。

表2 壩基覆蓋層非穩定滲流應力場耦合工況分析表

3.4 計算結果

在考慮滲流場與應力場耦合與否條件下壩基覆蓋層水頭及應力分布圖，見圖3-9。

圖3 不考慮耦合的壩基水頭分布(水位下降10d)

圖4 考慮耦合的壩基水頭分布(水位下降10d)

圖5 不考慮耦合的σz分布(水位下降10d)

圖6 考慮耦合的σz分布(水位下降10d)

圖7 不考慮耦合的壩基水頭分布(水位下降20d)

圖8 考慮耦合的壩基水頭分布(水位下降20d)

圖9 考慮耦合的σz分布(水位下降20d)

當庫水位以0.5m/d的速率下降時，因覆蓋層滲透系數遠>混凝土防滲墻，在混凝土防滲墻處壩基水頭下降很大，出現明顯的水力坡降，極大降低了壩基滲透壓力。庫水位下降20d時，不考慮耦合作用，混凝土防滲墻的滲流量為3.89×10-7m3/s，考慮耦合作用時為3.72×10-7m3/s，對比認為耦合作用下更小，分析認為考慮耦合作用時，因土體變形，孔隙體積和滲透性降低，壩基的上游水頭明顯增加；通過滲流應力的耦合作用，使壩基的應力分量也相應增大。當庫水位持續下降，壩基覆蓋層內部水頭帶來滯后效應，耦合時該效應更顯著，所以實際工程中要避免庫水位的突升突降，使應力值保持在一定范圍。

4 結 論

文章基于連續介質非穩定滲流場與應力場耦合原理，結合實際工程建立二維有限元模型，計算不同工況下壩基覆蓋層的總水頭和應力應變，成果表明考慮耦合作用時，因土受到水荷載作用，壩基覆蓋層各應力分量都有所增大。庫水位下降速度不同時，各個時刻的應力場分布基本一致，表明壩基覆蓋層的水荷載不是應力場分析的主要荷載。