陳 微
(方正縣雙鳳水庫綜合服務(wù)中心,黑龍江 方正 150800)
深厚覆蓋層是一種地質(zhì)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)條件差的地基,對大壩的滲流起著至關(guān)重要的作用。文章將連續(xù)介質(zhì)滲流應(yīng)力耦合開發(fā)程序應(yīng)用到實際工程中,將研究對象看做連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行滲流場與應(yīng)力場耦合研究,進(jìn)行3種工況下的計算,并對3種工況的計算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對比分析。結(jié)論表明在實際工程中考慮滲流應(yīng)力耦合必要性和合理性。
深厚覆蓋層地質(zhì)條件復(fù)雜,受力條件差,其帶來的繞壩滲漏、滲透穩(wěn)定、沉陷及不均勻沉陷等問題對大壩的安全穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用[1]。壩基深厚覆蓋層的滲透和力學(xué)性質(zhì)很大程度上決定壩體的穩(wěn)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(zhì)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(yīng)力場的分布,對大壩的安全運(yùn)行具有重要意義。
二維連續(xù)介質(zhì)應(yīng)力場影響下非穩(wěn)定滲流場的數(shù)學(xué)模型[2]為:
(1)
式中:h=h(x,y,z)為水頭函數(shù);k(σMij)=k(x,y,z)為各向滲透系數(shù)。
應(yīng)力場函數(shù)數(shù)學(xué)模型為:
(2)
式中:Ω為滲流面下壩基區(qū)域;f1(x,y,z)為Γ1上水頭分布;f2(x,y,z)為Γ2上流量分布。
某工程位于甘肅省文縣境內(nèi),工程效益以發(fā)電為主,兼具生態(tài)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(fā)電廠房等組成,工程規(guī)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(jī)容量240MW,設(shè)計年發(fā)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。
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(jié)點正六面體等參單元,共剖分1934節(jié)點,872個單元[4]。模型橫斷面示意圖,見圖1;有限元網(wǎng)格剖分圖,見圖2。壩體及壩基物理力學(xué)參數(shù)[5],見表1。
圖1 模型橫斷面示意圖
圖2 有限元網(wǎng)格剖分圖
表1 壩體及壩基物理力學(xué)參數(shù)
覆蓋層基巖非穩(wěn)定滲流場和應(yīng)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(yīng)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(xù)介質(zhì)模型自主編制開發(fā)三維有限元耦合程序,并對該大壩的典型斷面進(jìn)行3種工況計算。壩基覆蓋層非穩(wěn)定滲流應(yīng)力場耦合工況分析表,見表2。
表2 壩基覆蓋層非穩(wěn)定滲流應(yīng)力場耦合工況分析表
在考慮滲流場與應(yīng)力場耦合與否條件下壩基覆蓋層水頭及應(yīng)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(dāng)庫水位以0.5m/d的速率下降時,因覆蓋層滲透系數(shù)遠(yuǎn)>混凝土防滲墻,在混凝土防滲墻處壩基水頭下降很大,出現(xiàn)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(rèn)為耦合作用下更小,分析認(rèn)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(yīng)力的耦合作用,使壩基的應(yīng)力分量也相應(yīng)增大。當(dāng)庫水位持續(xù)下降,壩基覆蓋層內(nèi)部水頭帶來滯后效應(yīng),耦合時該效應(yīng)更顯著,所以實際工程中要避免庫水位的突升突降,使應(yīng)力值保持在一定范圍。
文章基于連續(xù)介質(zhì)非穩(wěn)定滲流場與應(yīng)力場耦合原理,結(jié)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)力分量都有所增大。庫水位下降速度不同時,各個時刻的應(yīng)力場分布基本一致,表明壩基覆蓋層的水荷載不是應(yīng)力場分析的主要荷載。