黏土心墙坝应力场与渗流场耦合分析研究

徐 晶

(庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150080)

黏土心墙坝应力场与渗流场耦合分析研究

徐 晶

(庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150080)

土石坝是当今水利工程中应用最广泛的坝型之一，防渗体系的构建在设计阶段作用突出，国内外多起溃坝事故起因多是坝体渗漏变形导致。在这些诱因中，库水位的升降引发的非稳定渗流问题最为突出，这决定了在实际工程中进行非稳定渗流场分析研究的必要性。文章结合工程实例，对黏土心墙坝进行渗流场与应力场耦合分析，通过与非耦合情况的计算结果对比，表明进行渗流场与应力场的耦合分析是符合工程实际的。

黏土心墙坝；稳定性；非耦合；耦合

0 引 言

土石坝是现在实际工程中应用最为广泛的坝型，土石坝的渗流场是由饱和区和非饱和区组成的统一体。土石坝的渗流场由饱和区和非饱和区共同组成[1]，二者相互制约又相互联系。影响因素诸多，降雨量、水位的变化等均能改变饱和区和非饱和区的作用区域，理论上单独对非饱和区的渗流研究更能反映工程实际，假如单独进行饱和区的渗流分析，直接加大了计算难度，伴随着有时计算陷入死循环难以求解。

影响非饱和渗流运动的因素众多，且形态也较复杂，比如固、液、气三种不同形态、温度、体积比、压强和空气压力等，从力学角度范畴将这是多因子相互作用的共同结果，也是相互耦合的受力变化过程。目前国内随着多年的研究发现，对于非饱和渗流参数的确定至关重要，参数的确定才能计算分析得出非饱和渗流的渗流场分布规律[1]。为使更加密切联系工程实际，并为工程设计运行提供正确合理的理论依据，足以见土石坝饱和-非饱和渗流场的数值模拟分析的重要性。

1 土石坝渗流场与应力场耦合分析

1.1 渗流场与应力场的相互影响[2]

一般情况下，土体中各成分均处于平衡状态，一旦受到外力作用破坏土中的水平衡状态，土体中的渗流场和应力场势必会发生改变。在多孔岩土介质理论研究中，若土体内部产生水头差，进而导致水体渗流，产生的动水力将以渗流体积力的形式作用于岩土介质，渗流体积力成为外部载荷的渗透力，作用于岩土介质的应力场，引发位移场的相应变化，相应的孔隙比、孔隙率产生改变。在多孔介质中，孔隙比变化与土体渗透系数关系密切，渗透系数的改变影响渗透性能，进而岩土介质的渗流场也会相应发生变化。从原理上讲岩土介质的应力场和渗流场相互联系又相互统一，反映出两场之间的耦合关系，这种关系带来的影响在岩土介质运动过程中时刻都在发生。

1.2 渗流场与应力场耦合的有限元方程

非饱和土壤介质的土体本构模型，即非饱和土介质的增量应力应变关系[3]，如下：

(1)

这个增量关系可简写成

{△σ}=[D]{△ε}-[D]{mH}(ua-uw)+{△ua}

(2)

式中：[D]为排水本构矩阵，

如果进一步假设在任何时间空气压力保持为大气压力，则方程(4.2)可变为

{△σ}=[D]{△ε}+[D]{mH}uw

(3)

当土单元为完全饱和时，土结构的总应力可写成

{△σ}=[D]{△ε}+{m}△uw

(4)

式中：{m}为单位各向同性张量，(1 1 1 0)。

对比后两个方程可以看出，当土体弯曲饱和时：

[D]{mH}={m}

(5)

对线弹性材料，土体完全饱和时下式是成立的。

(6)

2 工程实例

2.1 工程概况

某水利枢纽工程规模为大(1)型一等工程，主要水工建筑物包括大坝、泄洪洞、引水发电隧洞和电站厂房。水库总库容16.24亿m3,电站装机350MW,综合效益以灌溉为主,兼有发电、防洪等效益。大坝为黏土心墙坝 ,正常高水位为994.0m，设计洪水位为998m，校核洪水位为1001.3m，最大坝高105m,坝顶长358m, 坝顶宽度14m[4],大坝的典型断面如图1。

图1某大坝典型断面剖面图

2.2 计算模型

计算模型的范围选取：该黏土心墙坝最大坝高为105m, 分别沿坝踵上、下游各取100m,约1倍的坝高，Y方向，从基岩面竖直向下取100m。

计算坐标系定义如下：X向为顺河流方向指向下游为正；Y向为竖直方向指向上为正。有限元网格划分：采用三角形和四边形单元相结合的形式进行单元剖分。模型剖分后单元总数6224个，结点总数6285个。大坝有限元模型[5]如图2所示。

图2 大坝有限元模型

2.3 计算参数

根据实验资料，统计出坝体和坝基各材料参数见表1和表2。

表1 坝基材料参数表

表2 坝体材料参数表

研究库水位从正常水位998m以1m/d速度下降到死水位966m水位，下游水位为916.4m保持不变的情况下渗流场与应力耦合分析。

2.4 计算结果

1)渗流场变化

图3 非耦合情况下历时6d的总水头变化等值线图

图4 耦合情况下历时6d的总水头变化等值线图

图5 非耦合情况下历时2d孔隙水压力等值线图

图6 耦合情况下历时2d孔隙水压力等值线图

图3和图4为库水位下降速度在1m/d时历时6d对应的总水头线分布图。图3-图5和图3-图6为库水位下降历时2d时的孔隙水压分布图。

由于心墙料渗透系数远小于坝壳料，库区水位下降时，坝壳料的浸润线高度与库水位下降同步，滞后性不明显。但随着时间变化，心墙料浸润线的滞后现象非常明显。浸润线以下坝壳区和坝基区，耦合情况下的总水头值和孔隙水压力值相比非耦合情况数值均偏大。

2)位移场变化

通过计算可得到库水位下降工况下的水平位移和竖直沉降量，如图7-图10。

图7 非耦合情况下历时2d的位移分布等值线图

图8 耦合情况下历时2d的位移分布等值线图

图9 非耦合情况下历时2d的坝体竖直沉降分布等值线图

图10 耦合情况下历时2d的坝体竖直沉降分布等值线图

图7、图8为耦合与非耦合情况下库水位下降速度工况下对应的水平位移分布，图9和图10为竖向沉降量分布图。

库水位下降时坝体上、下游分别向各自方向移动，同时受水压力作用，这个坝体趋向下游移动。水平位移变化最小值产生于上游堆石料内，约坝高的2/5位置处。耦合情况下整体位移变化值大于非耦合情况，最大值分布区的水平位移耦合情况下小于非耦合情况，这是因为孔隙水压力消散时产生向上游的压力，降低了上游堆石区的水平位移变化，同时推动了下游堆石区的位移变化。

坝体竖向沉降量随库水位下降不断增大，达到最大值后保持不变。沉降量耦合情况明显>非耦合情况，其原因也是由于土体孔隙水压力消散导致的。

3)应力场变化

通过计算，可得到不同时刻的坝体大主应力和小主应力的等值线分布图。计算结果如图11-图14。

图11 非耦合情况下历时0d大主应力分布等值线图

图12 耦合情况下历时0d大主应力分布等值线图

图13 非耦合情况下历时0d小主应力分布等值线图

图14 耦合情况下历时0d小主应力分布等值线图

图中可看出耦合情况下的应力值小于非耦合情况。随着库水位的下降，非耦合情况下，应力变化随时间推移逐渐减小，达到一定值后，应力缓慢回升并趋于稳定状态。应力分布与深度呈线性关系，耦合情况下渗流场受到孔隙水压力的作用，心墙底部的应力值变小，拱效应极易产生，对坝体的安全稳定性造成极大威胁。

3 结 论

文章在对土石坝渗流场与应力场耦合分析原理的基础上，结合某黏土心墙坝，建立有限元计算模型，分析在库水位以一定速度下降工况下坝体渗流场和应力场耦合作用，计算得到大坝的渗流场、应力场、位移场的各分布曲线图，并与非耦合情况下的渗流场和应力场单场进行对比分析，验证了在土石坝稳定性分析中考虑渗流场和应力场耦合的必要性。

[1]顾慰慈．渗流计算原理及应用[M]．北京：中国建材工业出版社，2000.

[2]柴军瑞.论连续介质渗流与非连续介质渗流. 红水河，2002，21(01)：43-45.

[3]毛昶熙．渗流计算分析与控制[M]．北京：中国水利水电出版社，2003：1-63，89-124，306-342.

[4]殷建华，陈健，李悼芬．考虑孔隙水压力的土坡稳定性的刚体有限元上限分析[J]．岩土工程学报，2003，5(03)：273-277.

[5]王学武，冯学钢，王维早．库水位升降作用对库岸滑坡稳定性的影响研究[J]．水土保持研究，2006,12(05)：232-237.

1007-7596(2017)08-0035-04

2017-07-16

徐晶(1982-)，女，黑龙江克东人，工程师。

TV641

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