考虑渗流的土石坝抗震稳定分析

2017-11-22许源

水利科学与寒区工程 2017年10期

关键词：等值线石坝剪应力

许源

(北京中水科总公司，北京 100038)

考虑渗流的土石坝抗震稳定分析

许源

(北京中水科总公司，北京 100038)

针对抗震稳定分析一般不考虑渗流作用这一问题，本文基于渗流有限元计算理论结合土石坝模型做渗流计算。将渗流计算所得边界条件进一步耦合，对土石坝进行静力分析、动力非线性分析及边坡稳定分析。重点研究蓄水位情况下，考虑渗流作用的土石坝抗震稳定情况。计算结果表明：考虑渗流作用时，坝体有向下游移动的趋势；在浸润线附近主应力变化较大，水平加速度和最大剪应力变化较为集中；考虑渗流作用迎水面安全系数升高，背水面安全系数下降。

土石坝；渗流分析；静力分析；动力非线性分析；稳定分析

1 计算模型建立

某复合土工膜防渗斜墙粉砂土坝，抗震设防基本烈度7°，设计基本地震加速度值0.10 g。坝高45 m，坝顶宽度7 m，上游坡比为1∶3，下游采用二级坝坡，在25 m处设马道，马道上部坡比1∶2.5，下部坡比1∶3。防渗墙为垂直式，墙宽1.2 m，深入坝基10 m，下游设堆石排水棱体。

模型所选剖面以坝轴线为基准，选取坝体中间最大断面，以上下游坝脚线为界，分别向上下游各选取150 m。在本文工程实例中复合土工膜厚度仅有1 mm，为便于进行网格划分，可将其厚度扩大等效倍数[1-2]。二维问题中将计算区域划分为多边形的面单元，常用的有三角形单元和四边形单元。其中三角形单元适应不规则边界的能力较强，计算比较简单，四边形单元计算结果更为准确。模型共23 859个单元，24 308个结点，分为三角形和四边形单元。网格划分及材料分区如图1所示。

图1 模型材料分区及网格划分图

2 渗流计算

渗流计算采用正常蓄水位，上游水位42.5 m下游无水，将排水棱体处设为自由逸出面，渗流计算参数及计算得出渗流场图分别如表1、图2所示。

表1 各材料渗透系数

计算得出，复合土工膜起到良好的防渗效果，有效降低了浸润线。水压力等势线在复合土工膜和防渗墙区域分布较为密集，越往下游分布越稀疏，且等势线的数值呈递减趋势。坝轴线处单宽渗流量为6.251×10-5m2/s,出溢点渗流逸出坡降为0.0127。

3 静力分析

静力分析采用邓肯E-B模型计算坝体的应力变形，邓肯E-B模型切线弹模和体积模量分别按下式计算[3]:

(1)

(2)

式中：K为切线模量基数；Pa为大气压力,Pa；σ1、σ3分别为大主应力和小主应力,MPa；n为切线模量指数；Rf为破坏比；c为黏聚力,kPa；φ为内摩擦角,°；Kb为体积模量数；m为模量指数。

同时模型还考虑内摩擦角φ随围压σ3的变化，对粗粒土黏聚力c=0，内摩擦角φ与围压有如下关系：

(3)

式中：φ0为σ3=Pa时的φ值；Δφ反映φ值随σ3降低的一个参数。

静力分析时考虑坝体的固结沉降，将水库库水压力简化为均布荷载施加在坝基及上游坝体，采用渗流计算所得的边界条件经耦合计算得出大坝静力分布。静力分析所需材料参数如表2所示：

表2 静力分析所需材料参数

图3为竖直向和水平向位移等值线分布图。由图可知：水平向位移最大值位于坝底至1/2坝高处，坝体上游区域位移分布较对称；在水荷载及渗流力的作用下，大坝有向下游移动趋势。竖向最大位移位于坝顶至2/3坝高处，沉降主要发生在坝体区域，这是由于坝体料的弹性模量相对坝基较小，在荷载作用下发生沉降相对较大。图4为主应力等值线分布图，最大第一、第三主应力分别为1800 kPa、600 kPa。主应力分布在浸润线附近变化较大，这是由于在浸润线以下水压力增大所致。图5为最大剪应力等值线分布图，最大剪应力为600 kPa。由图可看出，分布规律较合理。

图3 水平向和竖直向的位移等值线(单位：m)

图4 第一、第三主应力等值线(单位：kPa)

图5 最大剪应力等值线(单位：kPa)

4 动力非线性分析

将水库库水压力简化为均布荷载施加在坝基及上游坝体，采用渗流计算所得的边界条件经动力非线性分析耦合计算得出地震作用下大坝各向位移及应力分布情况。选取El_Centro地震加速度变化较大的15 s，将最大峰值加速度调整为0.15 g，计算时间步长取0.02 s，加速度时程曲线如图6所示。动力分析计算所需参数如表3所示。

图6 amax=0.15 g时加速度时程曲线

表3 动力分析材料参数

图7为第5.40 s时整个模型的水平加速度等值线分布图，可见在该反应时刻水平向加速度反应由坝基向坝顶逐渐增大，最大反应发生在1/ 2坝高处。图8为第6.20 s总剪应力等值线分布图，最大值为50.00 kPa，出现于坝基底部。由两个图可以看出，在考虑渗流作用时，在浸润线附近水平加速度和最大剪应力变化较为集中。

图7 第5.40 s的水平加速度等值线(单位: m/s2)

5 坝体稳定分析

稳定分析采用Bishop有效应力法，坝体材料的抗剪指标采用静力分析抗剪强度指标，孔隙水压力为动力分析所得孔隙水压力。计算结果显示，考虑渗流作用下迎水面安全系数升高，背水坡的安全系数下降，但整个地震过程中，该土石坝能保持稳定。图9的滑动面为t= 2.20 s时，迎水面边坡最小安全系数为1.361，背水坡最小安全系数为1.235的最可能滑动面。