徐 晶

(慶達(dá)水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

黏土心墻壩應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合分析研究

徐 晶

(慶達(dá)水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

土石壩是當(dāng)今水利工程中應(yīng)用最廣泛的壩型之一，防滲體系的構(gòu)建在設(shè)計(jì)階段作用突出，國(guó)內(nèi)外多起潰壩事故起因多是壩體滲漏變形導(dǎo)致。在這些誘因中，庫(kù)水位的升降引發(fā)的非穩(wěn)定滲流問(wèn)題最為突出，這決定了在實(shí)際工程中進(jìn)行非穩(wěn)定滲流場(chǎng)分析研究的必要性。文章結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)黏土心墻壩進(jìn)行滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析，通過(guò)與非耦合情況的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，表明進(jìn)行滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析是符合工程實(shí)際的。

黏土心墻壩；穩(wěn)定性；非耦合；耦合

0 引 言

土石壩是現(xiàn)在實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛的壩型，土石壩的滲流場(chǎng)是由飽和區(qū)和非飽和區(qū)組成的統(tǒng)一體。土石壩的滲流場(chǎng)由飽和區(qū)和非飽和區(qū)共同組成[1]，二者相互制約又相互聯(lián)系。影響因素諸多，降雨量、水位的變化等均能改變飽和區(qū)和非飽和區(qū)的作用區(qū)域，理論上單獨(dú)對(duì)非飽和區(qū)的滲流研究更能反映工程實(shí)際，假如單獨(dú)進(jìn)行飽和區(qū)的滲流分析，直接加大了計(jì)算難度，伴隨著有時(shí)計(jì)算陷入死循環(huán)難以求解。

影響非飽和滲流運(yùn)動(dòng)的因素眾多，且形態(tài)也較復(fù)雜，比如固、液、氣三種不同形態(tài)、溫度、體積比、壓強(qiáng)和空氣壓力等，從力學(xué)角度范疇將這是多因子相互作用的共同結(jié)果，也是相互耦合的受力變化過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)隨著多年的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于非飽和滲流參數(shù)的確定至關(guān)重要，參數(shù)的確定才能計(jì)算分析得出非飽和滲流的滲流場(chǎng)分布規(guī)律[1]。為使更加密切聯(lián)系工程實(shí)際，并為工程設(shè)計(jì)運(yùn)行提供正確合理的理論依據(jù)，足以見土石壩飽和-非飽和滲流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析的重要性。

1 土石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析

1.1 滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的相互影響[2]

一般情況下，土體中各成分均處于平衡狀態(tài)，一旦受到外力作用破壞土中的水平衡狀態(tài)，土體中的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)勢(shì)必會(huì)發(fā)生改變。在多孔巖土介質(zhì)理論研究中，若土體內(nèi)部產(chǎn)生水頭差，進(jìn)而導(dǎo)致水體滲流，產(chǎn)生的動(dòng)水力將以滲流體積力的形式作用于巖土介質(zhì)，滲流體積力成為外部載荷的滲透力，作用于巖土介質(zhì)的應(yīng)力場(chǎng)，引發(fā)位移場(chǎng)的相應(yīng)變化，相應(yīng)的孔隙比、孔隙率產(chǎn)生改變。在多孔介質(zhì)中，孔隙比變化與土體滲透系數(shù)關(guān)系密切，滲透系數(shù)的改變影響滲透性能，進(jìn)而巖土介質(zhì)的滲流場(chǎng)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。從原理上講巖土介質(zhì)的應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)相互聯(lián)系又相互統(tǒng)一，反映出兩場(chǎng)之間的耦合關(guān)系，這種關(guān)系帶來(lái)的影響在巖土介質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中時(shí)刻都在發(fā)生。

1.2 滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合的有限元方程

非飽和土壤介質(zhì)的土體本構(gòu)模型，即非飽和土介質(zhì)的增量應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[3]，如下：

(1)

這個(gè)增量關(guān)系可簡(jiǎn)寫成

{△σ}=[D]{△ε}-[D]{mH}(ua-uw)+{△ua}

(2)

式中：[D]為排水本構(gòu)矩陣，

如果進(jìn)一步假設(shè)在任何時(shí)間空氣壓力保持為大氣壓力，則方程(4.2)可變?yōu)?/p>

{△σ}=[D]{△ε}+[D]{mH}uw

(3)

當(dāng)土單元為完全飽和時(shí)，土結(jié)構(gòu)的總應(yīng)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(duì)比后兩個(gè)方程可以看出，當(dāng)土體彎曲飽和時(shí)：

[D]{mH}={m}

(5)

對(duì)線彈性材料，土體完全飽和時(shí)下式是成立的。

(6)

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某水利樞紐工程規(guī)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(fā)電隧洞和電站廠房。水庫(kù)總庫(kù)容16.24億m3,電站裝機(jī)350MW,綜合效益以灌溉為主,兼有發(fā)電、防洪等效益。大壩為黏土心墻壩 ,正常高水位為994.0m，設(shè)計(jì)洪水位為998m，校核洪水位為1001.3m，最大壩高105m,壩頂長(zhǎng)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(jì)算模型

計(jì)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(jì)算坐標(biāo)系定義如下：X向?yàn)轫樅恿鞣较蛑赶蛳掠螢檎籝向?yàn)樨Q直方向指向上為正。有限元網(wǎng)格劃分：采用三角形和四邊形單元相結(jié)合的形式進(jìn)行單元剖分。模型剖分后單元總數(shù)6224個(gè)，結(jié)點(diǎn)總數(shù)6285個(gè)。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(jì)算參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，統(tǒng)計(jì)出壩體和壩基各材料參數(shù)見表1和表2。

表1 壩基材料參數(shù)表

表2 壩體材料參數(shù)表

研究庫(kù)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(chǎng)與應(yīng)力耦合分析。

2.4 計(jì)算結(jié)果

1)滲流場(chǎng)變化

圖3 非耦合情況下歷時(shí)6d的總水頭變化等值線圖

圖4 耦合情況下歷時(shí)6d的總水頭變化等值線圖

圖5 非耦合情況下歷時(shí)2d孔隙水壓力等值線圖

圖6 耦合情況下歷時(shí)2d孔隙水壓力等值線圖

圖3和圖4為庫(kù)水位下降速度在1m/d時(shí)歷時(shí)6d對(duì)應(yīng)的總水頭線分布圖。圖3-圖5和圖3-圖6為庫(kù)水位下降歷時(shí)2d時(shí)的孔隙水壓分布圖。

由于心墻料滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于壩殼料，庫(kù)區(qū)水位下降時(shí)，壩殼料的浸潤(rùn)線高度與庫(kù)水位下降同步，滯后性不明顯。但隨著時(shí)間變化，心墻料浸潤(rùn)線的滯后現(xiàn)象非常明顯。浸潤(rùn)線以下壩殼區(qū)和壩基區(qū)，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(shù)值均偏大。

2)位移場(chǎng)變化

通過(guò)計(jì)算可得到庫(kù)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(shí)2d的位移分布等值線圖

圖8 耦合情況下歷時(shí)2d的位移分布等值線圖

圖9 非耦合情況下歷時(shí)2d的壩體豎直沉降分布等值線圖

圖10 耦合情況下歷時(shí)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(kù)水位下降速度工況下對(duì)應(yīng)的水平位移分布，圖9和圖10為豎向沉降量分布圖。

庫(kù)水位下降時(shí)壩體上、下游分別向各自方向移動(dòng)，同時(shí)受水壓力作用，這個(gè)壩體趨向下游移動(dòng)。水平位移變化最小值產(chǎn)生于上游堆石料內(nèi)，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(qū)的水平位移耦合情況下小于非耦合情況，這是因?yàn)榭紫端畨毫οr(shí)產(chǎn)生向上游的壓力，降低了上游堆石區(qū)的水平位移變化，同時(shí)推動(dòng)了下游堆石區(qū)的位移變化。

壩體豎向沉降量隨庫(kù)水位下降不斷增大，達(dá)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(dǎo)致的。

3)應(yīng)力場(chǎng)變化

通過(guò)計(jì)算，可得到不同時(shí)刻的壩體大主應(yīng)力和小主應(yīng)力的等值線分布圖。計(jì)算結(jié)果如圖11-圖14。

圖11 非耦合情況下歷時(shí)0d大主應(yīng)力分布等值線圖

圖12 耦合情況下歷時(shí)0d大主應(yīng)力分布等值線圖

圖13 非耦合情況下歷時(shí)0d小主應(yīng)力分布等值線圖

圖14 耦合情況下歷時(shí)0d小主應(yīng)力分布等值線圖

圖中可看出耦合情況下的應(yīng)力值小于非耦合情況。隨著庫(kù)水位的下降，非耦合情況下，應(yīng)力變化隨時(shí)間推移逐漸減小，達(dá)到一定值后，應(yīng)力緩慢回升并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)力分布與深度呈線性關(guān)系，耦合情況下滲流場(chǎng)受到孔隙水壓力的作用，心墻底部的應(yīng)力值變小，拱效應(yīng)極易產(chǎn)生，對(duì)壩體的安全穩(wěn)定性造成極大威脅。

3 結(jié) 論

文章在對(duì)土石壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合某黏土心墻壩，建立有限元計(jì)算模型，分析在庫(kù)水位以一定速度下降工況下壩體滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合作用，計(jì)算得到大壩的滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的各分布曲線圖，并與非耦合情況下的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)單場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了在土石壩穩(wěn)定性分析中考慮滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合的必要性。

[1]顧慰慈．滲流計(jì)算原理及應(yīng)用[M]．北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2000.

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[3]毛昶熙．滲流計(jì)算分析與控制[M]．北京：中國(guó)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(wěn)定性的剛體有限元上限分析[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2003，5(03)：273-277.

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2017-07-16

徐晶(1982-)，女，黑龍江克東人，工程師。

TV641

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