考虑流固耦合的复杂坝基土石坝稳定性分析

韩长胜

(天津市宁河区水务局，天津 301500)

0 引 言

过去受认识与技术手段的限制，在进行土石坝设计时通常将渗流场与应力场分开进行考虑，这种计算方法与坝体实际受力与稳定条件实际相差较大。通过近年来土石坝失稳破坏的案例[1-3]，发现破坏的主要原因是未考虑渗流场与应力场的耦合效应，因此在计算土石坝稳定性时考虑流固耦合是非常有必要的。

随着技术进步，在进行土石坝稳定性分析时开始逐步考虑流固耦合效应的影响。吴永康等[4]对施工和蓄水两个工况下流固耦合作用对高土石坝静动力稳定性的影响，为更加合理和准确地描述动荷载作用下土石坝残余变形及孔压演化规律提供支撑。倪梅三等[5]采用Geostudio中的SEEP/W和SIGMA/W模块，基于比奥固结原理对某土石坝典型断面进行考虑流固耦合的稳定性计算，给出了土石坝位移随时间变化波动的原因。王嘉贵等[6]以瀑布沟为例定量研究了流固耦合对含深厚覆盖层高土石坝的覆盖层坝基和坝体稳定性影响，通过与实际监测数据对比，考虑流固耦合计算结果与实际情况更加接近。本文通过对不同库水位下含软弱坝基的土石坝进行数值模拟，分析流固耦合作用对坝体稳定安全系数、最大沉降量以及最大拉应力的影响，

1 计算模型与参数

本文计算采用FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Contiua)有限差分软件。FLAC3D是由美国Itasca集团公司开发的一款专业岩土工程分析计算机软件，其基本原理即是采用拉格朗日差分法来分析有限变形问题。

根据地质资料，库区地层主要有寒武系下统沧浪铺组下段砂泥岩、二叠系下统茅口组白云质灰岩、第四系覆盖层。结合剖面图，计算模型见图1，主要包括坝体、冲洪积层、沧浪铺组砂岩和茅口组灰岩，其中组1为土石坝坝体、组2为冲洪积层、组3为强风化砂岩、组4为弱风化砂岩、组5为强风化灰岩。库区有一断层贯穿，但近现代以来已无构造活动迹象且断层破碎带挤压紧密、普遍胶结，因此计算中将其并入强风化砂岩。计算模型长度为100 m，宽度为40 m，高度为40 m(其中坝体10 m)，坐标选取如图，约束条件为左右两侧水平X方向位移约束，Y方向位移全约束，底面Z向位移约束，顶部为自由边界。计算采用Mohr-Coulomb模型，计算参数见表1。计算水位有4个，分别是汛限水位3.5 m、正常蓄水位6 m、设计洪水位6.8 m和校核洪水位7.5 m，分别计算了不同工况下未考虑流固耦合作用和考虑流固耦合作用的应力场、变形场和渗流场，并基于强度折减法分析其稳定安全系数。

图1 计算模型Fig.1 Calculation Model

岩性重度/kN·(m3)-1C//kPaφ/(°)渗透系数/cm·s-1孔隙比坝体1 85028165.1×10-50.78冲洪积层1 9002217.58.7×10-40.53强风化砂岩2 000120262.6×10-70.39弱风化砂岩2 100140334.4×10-90.32强风化灰岩2 200300385.6×10-90.39

2 计算结果与分析

2.1 安全系数

采用强度折减法计算考虑流固耦合和未考虑流固耦合的含软弱坝基的土石坝安全系数见图2。由图2可知，随库水位上升，考虑和未考虑流固耦合作用坝体安全系数均先增大后减小，库水位约为正常蓄水位时其安全系数最大；不同库水位下，考虑流固耦合作用坝体的安全系数均小于未考虑流固耦合坝体安全系数，且水位越高，两者间差值越大。随水位增长，未考虑流固耦合作用坝体比考虑流固耦合作用安全系数分别增大2.9%、5.5%、8.0%和12.8%。这主要是由于水位越高，坝体浸润线越高，渗流作用影响区域越大，其安全系数相差越大；对未考虑流固耦合作用坝体，水位越高，其稳定性越差，这也是为什么过去土石坝常在水位较高时出现失稳破坏。

图2 安全系数与水位关系曲线Fig.2 relation curve between safety factor and water level

2.2 最大沉降量

图3为不同库水位下考虑流固耦合与未考虑流固耦合作用土石坝的最大沉降量，由图3可知，随库水位升高，考虑流固耦合与未考虑流固耦合作用土石坝最大沉降量均增大，这主要是由于土石坝土体在水的作用出现软化，更容易发生变形。不同水位条件下，考虑流固耦合作用比未考虑流固耦合作用土石坝沉降量大，这是由于未考虑流固耦合作用时，只考虑了土颗粒位置调整而产生的变形，未考虑渗透力和土颗粒自身变形的影响。

图3 最大沉降量与水位关系曲线Fig.3 Relationship between maximum subsidence and water level

2.3 最大拉应力

土石坝蓄水后会在迎水坡坡脚处产生拉应力，拉应力的出现是坝体破坏的关键性因素之一，图4为不同库水位下土石坝最大拉应力与水位关系曲线。由图4可知，随水位上升，土石坝的最大拉应力逐渐增大，这是由于水位升高，坝体受到的水平荷载越大，坝体绕背水坡转动趋势越明显，在迎水坡坡脚产生拉应力越大。不同水位条件下，考虑流固耦合作用坝体最大拉应力比未考虑流固耦合作用时大，这是由于渗流作用而产生的渗透力可分解为竖直向下的力和水平向右的力，其中水平向右的力是增大坝体最大拉应力的关键因素。

图4 最大拉应力与水位关系曲线Fig.4 relation curve between maximum tensile stress and water level

3 结 论

采用FLAC3D软件建立复杂坝基土石坝有限差分模型，并分别在不同工况下计算了考虑流固耦合与未考虑流固耦合时坝体的安全系数、最大沉降量和最大拉应力，主要结论如下：

1) 不同水位条件下，考虑流固耦合作用坝体安全系数比未考虑流固耦合作用小，且水位越高，两者间差值逐渐增大。

2) 随库水位上升，考虑和未考虑流固耦合作用坝体安全系数均先增大后减小，库水位约为正常蓄水位时其安全系数最大。

3) 不同水位条件下，考虑流固耦合作用坝体最大沉降量和最大拉应力均比未考虑流固耦合作用大，计算时不考虑流固耦合作用的影响是偏于不安全的。

4) 随库水位上升，考虑和未考虑流固耦合作用的复杂坝基土石坝最大沉降量与最大拉应力均增大。