基于流固耦合理論的水利工程防滲墻滲流穩定性研究

2024-04-29 14:30:44劉珍武

水利科技與經濟 2024年4期

劉珍武

(湖北省荊州市長江工程開發管理處,湖北荊州 434000)

1 概述

據統計,截至2011年,我國已建完成且投入使用的水庫大壩約98 000座。其中,深厚覆蓋層上的大壩在修建完成后,大壩的應力場會發生改變,壩體與壩基的滲透性及力學性質發生改變,處于復雜的應力耦合狀態。

王正成等[1]基于數值模型,研究了水庫垂直防滲墻合理深度的確定方法。結果表明,當防滲墻的嵌入深度為0.6時,出逸坡降和防滲墻底部滲透坡降均小于允許滲透坡降,實際工程中防滲墻嵌入基巖3～5m為最優嵌入深度。王正成等[2]基于數值模擬,研究了多元結構深厚覆蓋層透水地基的力學特性。結果表明,透水性較強的表層土體是滲流主要通道,也是滲流進出區和沉降變形體現區;采用垂直防滲墻可以大大提高大壩的滲透性并降低滲流量;對于大壩上游壩基變形導致對防滲墻的較大推力,應采用增強性措施。高江林等[3]采用數值模型,研究了滲流與應力耦合的防滲墻與壩體相互作用規律。結果表明,與非耦合的計算方法相比,耦合數值模型能較好模擬防滲墻與壩體的相互作用。此外,土石壩防滲墻墻體的應力主要由水平荷載導致,不考慮兩者的耦合作用會導致計算結果偏于不安全。劉占濤[4]基于有限元數值模擬,研究了深厚覆蓋層黏土心墻壩穩定性。結果表明,黏土心墻壩的穩定系數均會隨著庫水位的升高而減小,采用流固耦合方式可有效提高黏土心墻壩的穩定性。高江林[5]綜合采用模型試驗和數值模擬,分析了防滲墻與壩體相互作用。結果表明,剛性混凝土墻主要承受拉應力,而塑性混凝土防滲墻主要承受壓應力;壩體的填筑材料、壩基透水性能及基巖強度等因素,對剛性混凝土墻的應力影響明顯比塑性混凝土防滲墻影響更為顯著。

上述文獻顯示,大多數關于土石壩研究均未考慮應力場和滲流場的耦合作用。因此,本文基于比奧固結理論,通過連續性方程建立有限元控制方程,推導大壩滲流場和應力場耦合的計算模型,系統研究耦合效應對防滲墻內力及變形的影響。研究結果可為大壩防滲墻的設計及加固提供參考。

2 計算理論與數值模型

2.1 耦合模型

基于固體與流體質量守恒理論及連續性方程,建立平衡微分方程。其中,土體骨架采用鄧肯本構模型。

基于有效應力原理,得到三維比奧固結微分表達式:

式中:G為材料的剪切模量,Pa;μ為泊松比;u為位移分量,m;γ為體積力張量,Pa;p為水壓力,Pa。

基于達西定律和水的滲流連續性方程,可以得到有限元控制方程:

土體的孔隙率和初始滲透系數及土體的一般滲透系數具有以下相關關系:

式中:εv為材料體積應變,無量綱。

2.2 數值計算模型

本文研究的壩體位于深厚覆蓋層上,覆蓋層最大厚度130m。其中,大壩壩頂高程2 000m,采用厚度為1m的封閉式混凝土防滲墻。根據鉆孔資料揭示,巖層由上至下分別為粉砂層、粉土及漂石卵石層。為了提高大壩的承載力,在閘室區域下方進行20m固結注漿處理。大壩典型剖面見圖1。覆蓋層及巖土體采用鄧肯-常模型,閘基、混凝土防滲墻以及閘室底板采用均質線彈性模型。其中,混凝土采用C30級別,彈性模量30GPa,泊松比0.21;基巖的彈性模量20GPa,泊松比0.20,具體的參數見表1。

表1 材料參數匯總

圖1 大壩典型剖面圖

采用ABAQUS建立數值計算模型。為了模擬防滲墻和巖土體的接觸,考慮防滲墻和巖土體物理力學性質的巨大差異性,本文在兩者之間設置Goodman接觸單元。數值模型中,網格劃分均采用四邊形單元。最終模型的網格總數2 578個,節點單元2 798個。模型方向為假定河水流向為X軸,與河水流向垂直為Y軸。

3 結果與分析

采用滲流場與應力場耦合算法及僅考慮應力場工況下,大壩防滲墻的最大主應力隨高程的變化趨勢見圖2。結果表明,在正常蓄水位下,最大主應力在耦合與非耦合情況下的分布特征基本相同,均隨深度增大而增大,在靠近基巖位置處,由于防滲墻嵌固基巖,導致墻體的應力發生突變。此外,在不同巖層接觸面處,應力均有大小各異的突變產生。兩種算法下,最大主應力為62MPa。

圖2 防滲墻的最大主應力

兩種不同算法下防滲墻的最大主應力與最小主應力差值分布規律見圖3。結果表明,兩種算法得到的應力差隨高程的增大均有一定程度的減小,但采用非耦合算法得到的應力差值明顯比非耦合算法的差異性更大。其中,耦合算法應力差值最大為1 600kPa,而非耦合算法得到的應力差僅為30kPa。

圖3 防滲墻的最大主應力與最小主應力差值

兩種不同算法下防滲墻水平位移分布規律見圖4。結果表明,兩種算法得到的水平位移隨高程的增大而增大。當水庫蓄水后,由于水壓力的作用導致防滲墻向下游方向發生變形。但在基巖位置處,由于防滲墻嵌入到基巖內部,因此該位置處的水平位移基本為零。總體來看,采用耦合算法得到的位移比非耦合算法的更小。其中,采用非耦合算法得到的防滲墻水平位移的最大值為180mm,而采用耦合算法得到的防滲墻的最大水平位移僅為120mm。