基于流固耦合計算的邊坡在水位變動情況下的變形機理分析

崔高麓

(常州市武進(jìn)水利工程有限公司，江蘇 常州 213000)

1 概 述

在水利水電工程的修建、運營過程中，不可避免地會遇到一些不穩(wěn)定的庫岸邊坡，因此對不穩(wěn)定斜坡的變形機制進(jìn)行研究具有十分重要的意義[1-6]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對此已經(jīng)進(jìn)行了很多研究[7-10]。

本文闡述了水庫水位升降對邊坡的影響規(guī)律，并探討了一種進(jìn)行流固耦合計算的方法。在這種方法的基礎(chǔ)上，選取3類典型邊坡進(jìn)行數(shù)值計算，以期計算結(jié)果為類似工程提供借鑒與參考。

2 邊坡響應(yīng)特征定性分析

對水庫邊坡而言，除降雨、地震、人類活動擾動之外，水位升降往往是最重要的致災(zāi)因子。水位活動對邊坡穩(wěn)定性造成擾動，從整體上的影響來看，水位上升、下降過程導(dǎo)致邊坡浸潤線的空間幾何分布出現(xiàn)重分布。對給定的邊坡而言，升水位后將會導(dǎo)致邊坡浸潤線上升，浸潤線變化范圍內(nèi)的巖土體重度將會由半飽和/全飽和容重逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊蝗葜亍Ｔ谶@個過程中，這一部分巖土體重度將會變低。除此之外，還會導(dǎo)致這部分的應(yīng)力路徑發(fā)生變化，抗剪強度參數(shù)也會出現(xiàn)變化，由相對低值逐漸升高。在這個過程中，將會導(dǎo)致浸潤線兩側(cè)巖土體受重力作用下的應(yīng)力環(huán)境發(fā)現(xiàn)顯著變化，最直接的后果就是臨界線上下兩側(cè)巖土體的位移量值不同。若巖土體水理性較好，那么剪應(yīng)力集中的情況不會太嚴(yán)重；但若是頁巖、泥巖、黏土或是含蒙脫石較高的巖石，在前緣有臨空條件的情況下，極有可能出現(xiàn)滑動，甚至出現(xiàn)滑坡。如意大利的瓦伊昂大壩，當(dāng)初選址就是因為沒有考慮軟弱夾層的工程物理特性，最后導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。從局部影響來看，水位升降過程將會導(dǎo)致邊坡坡腳的巖土體應(yīng)力環(huán)境出現(xiàn)明顯變化，若坡腳為邊坡的鎖固段，那么在浸潤過程中，坡腳變軟，整體穩(wěn)定性將無可避免地降低。另一方面，若坡腳為下滑段(這種情況往往比較少見)，那么浸潤過程將直接劣化坡體的應(yīng)力環(huán)境，導(dǎo)致其更容易出現(xiàn)滑動。以上分析主要還是從定性的角度進(jìn)行介紹，要佐證筆者的論述，需要進(jìn)行數(shù)值計算。

3 多場耦合的數(shù)值計算前處理

3.1 計算模型設(shè)計

要進(jìn)行合理的多場耦合計算，首先需要建立合理的數(shù)值計算模型。建立數(shù)值模型時，根據(jù)場地的地形特征，選取合理的地層剖面，具有以下幾點特征：①能準(zhǔn)確反映斜坡結(jié)構(gòu)特征；②剖面方向能代表潛在主要滑動方向或是坡向；③盡可能全面展示場地的地質(zhì)要素(如挖方路基、填方路基、溝壑、拉陷槽、裂縫等)。

選取合理的地層剖面后，對不同區(qū)域賦予不同的材料模型。堆積體、基巖采用彈塑性模型。如有工程措施，則結(jié)合實際情況討論。如錨索、土釘?shù)纫话悴捎媒Y(jié)構(gòu)桿單元表示，抗滑樁、護面墻一般采用結(jié)構(gòu)梁表示。材料選取正確后，再給相應(yīng)的區(qū)域賦予不同的參數(shù)值。然后結(jié)合現(xiàn)場的結(jié)合尺寸比例進(jìn)行網(wǎng)格繪制(一般采用1∶1，或者1∶200、1∶500、1∶1 000縮放)。網(wǎng)格形狀方面，一般采用四邊形較好，但是局部幾何空間不滿足的情況，最好采用三角形單元嵌入，總之盡可能采用“總體四邊形單元，局部三角形單元”這種網(wǎng)格劃分模式。完成網(wǎng)格繪制后，需要施加邊界條件，此處主要根據(jù)現(xiàn)場實際情況來確定(一般左右兩側(cè)三向約束，底面三向約束)，此處不再贅述。完成以上工作后，需要考慮滲流場的分布情況，需要提前繪制初始水位線，坡體兩側(cè)施加水頭邊界，在給定的滲透曲線的前提下，采用半飽和/飽和有限元計算，檢查計算結(jié)果生成的水位線。若浸潤線與現(xiàn)場實測線吻合，則可以繼續(xù)計算；若否，則返回檢查模型的合理性。

按照本原則，對選取反傾變質(zhì)巖邊坡、上硬下軟型邊坡、順傾邊坡建立數(shù)值計算模型，見圖1-圖3。

圖1 反傾變質(zhì)巖邊坡數(shù)值計算模型

圖2 上硬下軟型巖質(zhì)庫岸邊坡數(shù)值計算模型

圖3 順層巖質(zhì)邊坡

3.2 工況與模擬方案標(biāo)定

本次數(shù)值計算主要考慮以下3種工況，即①工況一：蓄水(僅考慮自重，g=9.8 m/s2)；②工況二：蓄水；③工況三：泄水。

具體模擬方案如下：

1) 工況一將有限元軟件中的SWEEP/W和SIGMA/W模塊相結(jié)合，按實際情況繪制水位線，兩側(cè)邊界設(shè)置水頭，材料滲透系數(shù)利用Van Genuchten估計方法，結(jié)合體積含水量反推滲透系數(shù)，在滲流場計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，引入應(yīng)力、應(yīng)變分析模塊，對邊坡的響應(yīng)特征進(jìn)行分析。

2) 工況二：完成初步分析后，按照實際蓄水位添加水頭，進(jìn)行應(yīng)力重分布分析。

3) 工況三：結(jié)合實際泄水位進(jìn)行水頭設(shè)置，然后進(jìn)行荷載變形分析。

4 案例分析計算

4.1 反傾變質(zhì)巖邊坡流固耦合特征分析

在3種工況下的計算結(jié)果見圖4-圖7。

圖4 常水位最小總應(yīng)力

圖5 常水位最大剪應(yīng)變

圖6 蓄水工況最小總應(yīng)力

圖7 蓄水工況最大剪應(yīng)變

由圖4-圖7可知，在蓄水作用下，最小總應(yīng)力呈條狀分布，隨著深度的增加而增加，壓應(yīng)力主要以重力場為主，最小總應(yīng)力負(fù)值(拉應(yīng)力區(qū))主要出現(xiàn)在坡表，應(yīng)力集中以陡緩交界處最為明顯，拉應(yīng)力最大值約80 kPa。最大剪應(yīng)變方面，與常水位相比，有增加的趨勢，最大達(dá)到0.064。根據(jù)以上分析，認(rèn)為水庫蓄水后，導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)變形，整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取治理工程措施。

4.2 上硬下軟型巖質(zhì)庫岸邊坡流固耦合特征分析

這類邊坡在3種工況下的計算結(jié)果見圖8-圖13。

圖8 常水位最小總應(yīng)力云圖

圖9 常水位最大剪應(yīng)變云圖

圖10 蓄水工況最小總應(yīng)力

圖11 蓄水工況最大剪應(yīng)變

圖12 泄水工況最小總應(yīng)力

圖13 泄水工況最大剪應(yīng)變

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，坡體處于常水位時，最小總應(yīng)力總體受壓應(yīng)力控制，坡表局部位置和坡體內(nèi)部局部出現(xiàn)拉應(yīng)力單元，說明整體穩(wěn)定性較好，但可能存在局部穩(wěn)定性問題。相比天然工況，蓄水后，最小總應(yīng)力的拉應(yīng)力區(qū)明顯擴展，沿坡體內(nèi)部逐漸延伸至斜坡前緣。最大剪應(yīng)變方面，應(yīng)變增量與屈服單元沿軟弱層發(fā)育，說明對這類上硬下軟型邊坡來說，在庫水作用下，應(yīng)注意極軟層前緣臨空情況，一旦蓄水，該層極有可能發(fā)育為相對不穩(wěn)定層。在泄水工況下，斜坡中上部坡表拉應(yīng)力區(qū)貫通，但斜坡中下部拉應(yīng)力區(qū)未貫通，軟弱層內(nèi)部出現(xiàn)剪應(yīng)變集中，但量值相比蓄水工況更小，說明對上硬下軟型邊坡來說，穩(wěn)定性受蓄水影響更大。

4.3 順層巖質(zhì)邊坡流固耦合特征分析

這類邊坡在3種工況下的計算結(jié)果見圖14-圖19。

圖14 天然工況最小總應(yīng)力云圖

圖15 天然工況最大剪應(yīng)變云圖

圖16 蓄水工況最小總應(yīng)力

圖17 蓄水工況最大剪應(yīng)變

圖18 泄水工況最小總應(yīng)力

圖19 泄水工況最大剪應(yīng)變

計算結(jié)果顯示，坡體處于常水位時，最小總應(yīng)力總體受壓應(yīng)力控制，坡表局部位置和坡體內(nèi)部局部出現(xiàn)拉應(yīng)力單元，說明整體穩(wěn)定性較好，但可能存在局部穩(wěn)定性問題。相比天然工況，蓄水后，最小總應(yīng)力的拉應(yīng)力區(qū)明顯擴展，沿坡體內(nèi)部逐漸延伸至斜坡前緣。最大剪應(yīng)變方面，應(yīng)變增量沿泥巖層發(fā)育，說明對這類順傾邊坡來說，在庫水作用下，應(yīng)注意相對軟弱層的傾向特征，一旦蓄水，該層極有可能發(fā)育為相對不穩(wěn)定層。泄水工況下，邊坡中上部坡表拉應(yīng)力區(qū)貫通，但斜坡中下部拉應(yīng)力區(qū)未貫通，泥巖層內(nèi)部出現(xiàn)剪應(yīng)變集中，但量值相比蓄水工況更小，說明對順傾邊坡來說，其穩(wěn)定性受蓄水影響更大。

5 結(jié) 論

本文闡述了不同斜坡結(jié)構(gòu)類型下的邊坡在常水位、蓄水位、泄水位3種工況下的變形成因機理，分析了進(jìn)行流固耦合計算的方法，并選取3個典型邊坡進(jìn)行計算，結(jié)論如下：

1) 對反傾巖質(zhì)邊坡而言，拉應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在坡表，應(yīng)力集中以陡緩交界處最為明顯，蓄水后，拉應(yīng)力的分布范圍與應(yīng)力量值明顯擴大。最大剪應(yīng)變方面，與常水位相比，有增加的趨勢，最大達(dá)到0.064。可以認(rèn)為，對這種類型的邊坡，在水庫蓄水后，極有可能導(dǎo)致邊坡坡表出現(xiàn)變形。

2) 對上硬下軟型邊坡而言，在庫水作用下，應(yīng)注意極軟層前緣臨空情況，一旦蓄水，該層極有可能發(fā)育為相對不穩(wěn)定層。在泄水工況下，斜坡中上部坡表拉應(yīng)力區(qū)貫通，但斜坡中下部拉應(yīng)力區(qū)未貫通，軟弱層內(nèi)部出現(xiàn)剪應(yīng)變集中，但量值相比蓄水工況更小，說明對上硬下軟型邊坡來說，穩(wěn)定性受蓄水影響更大。

3) 對順傾巖質(zhì)邊坡來說：在庫水作用下，應(yīng)注意相對軟弱層的傾向特征，一旦蓄水，該層極有可能發(fā)育為相對不穩(wěn)定層。泄水工況下，邊坡中上部坡表拉應(yīng)力區(qū)貫通，但斜坡中下部拉應(yīng)力區(qū)未貫通，泥巖層內(nèi)部出現(xiàn)剪應(yīng)變集中，但量值相比蓄水工況更小，說明對順傾邊坡來說，其穩(wěn)定性受蓄水影響更大。