基于AutoBANK的流固耦合场沙田水库坝体渗流变形特征研究

刘 欢

(深圳市广汇源环境水务有限公司惠州分公司，广东 惠州 516000)

坝体作为水利工程中重要水工建筑，其安全可靠性与防渗结构、静力结构及抗震体系密切相关[1-2]，研究坝体渗流-变形特征需要考虑具体工程荷载环境。坝体在蓄水水位涨幅期与运营期内，受流固耦合场与非渗流场影响[3-4]，其稳定性变化、发展有所差异，因而研究坝体渗流-变形在不同时间节点、不同渗透系数工程环境下影响变化，对推动坝体运营、设计具有重要意义。黄谢平等[5]、丁泽霖等[6]采用物理模型试验方法，模拟了多场耦合下土坝渗流-变形过程受渗透系数、水位等试验因素影响，从原型试验研究入手，探讨了坝体渗流-变形发展态势，为工程建设、运营提供了依据。王正成等[7]、刘占涛[8]从坝体防渗结构入手，探讨了大坝防渗结构体系流固耦合场下渗流特征与静力特征。刘茵[9]、高四军[10]探讨了坝体静、动力场影响变化，分析了坝体结构静力特征与动力响应特性，为工程抗震设计、结构除险加固提供了参照。而针对流固耦合场中坝体渗透系数、时间效应等，吕辉等[11]、潘英杰等[12]利用Abaqus等数值计算方法建模分析了坝体的静力稳定性，推动了多场耦合下水工结构静力计算与渗流分析。本文基于沙田水库多场耦合下渗流-变形问题，探讨了蓄水期水位涨幅与运营期变形、应力特征，分析了坝体渗透系数影响下渗流-变形特性，为工程加固、防渗设计提供了参考。

1 工程概况

沙田水库乃是惠州地区重要供水来源，该水库库床为块形展布分布，最宽处约为2.74 km，建设防洪主坝控制流域集水面积超过26 km2，流径河道全长为8.9 km，河床坡降呈缓慢过渡态势，平均坡降为0.0175。沙田水库从建设运营至今，工作年限超过60年，目前根据地区水资源分布现状，该水库承担着灌溉、发电、防洪排涝等水利作用，为惠州地区重要综合功能水库。该水库枢纽工程包括有防洪主坝、溢洪道、输水干渠及发电厂房等，“十二五”期间对主坝进行二次除险加固时，升级防洪标准至百年一遇，正常蓄水位68 m，相应库容1426.0万m3，枯水季死库容为37.6万m3，各水利设施均采用Ⅲ等设计建设。根据EI Centro地震波及Taft地震波计算表明，水工结构加速度响应特征值满足安全允许值。对沙田水库各水利设施调查得知，水库共有四座副坝，另各有1座主坝与溢洪道，溢洪道位于主坝与一号副坝之间，为小型水工结构形式，堰顶宽度为19.4 m，采用宽尾墩与挑能坎为联合消功结构，下游坎高分布为0.3～0.7 m，宽尾墩位于消能池首，厚度为1.5 m。输水干渠为沙田水库对下游农业生产、居民生活用水调度的重要载体，其位于主坝右坝段，干渠总长为3.5 km，最大输水流量为5.82 m3/s，下游建设有支渠与之调压塔相连，确保水资源调度安全。水库主坝坝顶高程为74 m，增设有防浪墙，高度为0.5 m，坝长为177 m，为均质土坝结构形式；四座副坝均为土石坝，堆筑料以粉质壤土为主，压实度较优，坝坡上、下游分别采用混凝土护坡与金银花植被生态护坡，四座副坝坝顶高程均为74.5 m，顶宽分布为5～7 m，坝顶轴长度为48～100 m，在各副坝坝脚均设置有棱体排水，减弱水体冲刷对坝身影响。在十四五时期，惠州市考虑针对沙田水库主、副坝运营安全，对其运营期渗流场开展加固处理，故本文前期针对沙田水库坝体流固耦合场下渗流变形特征开展分析，为沙田水库坝体的防渗加固设计提供依据。

2 建模计算

为研究沙田水库坝体流固耦合场下渗流-变形特征，本文采用AutoBANK开展建模计算[13]，由于该水库主副坝结构类型相近，且均为土石坝结构类型，因而本文只以二号副坝2K3+125～2K3+425区段为分析对象，采用分步分层填筑形式建立该坝体模型。由于坝体模型需要考虑流固耦合场分布特征，因而在考虑土石坝岩土体特性的基础上，微单元采用E-B模型，而土体渗透特性遵从室内实测的渗透系数时间变化曲线，如图1所示。

图1 渗透系数时间变化特征

基于AutoBANK数值网格划分后，共获得网格单元8622个，计算节点有7263个，坝底视为不透水层边界条件，且其位移条件设定为全约束边界，上、下游坝坡分别设定为渗流与出逸边界，坝身轮廓均设定为渗流边界末端。本文为研究坝体渗流特征，考虑除险加固期蓄水过程中坝体渗流-变形演变特征，且考虑副坝土石坝堆筑料渗透系数差异性下，其渗流-变形影响特征。因而，除险加固期设定有不同施工时间节点，按照施工进度分为水位上涨期与运营期，其中水位上涨期按照每10 m一个时间节点，共设定有7个节点，而运营期为蓄水完成后运营的第100 d、150 d、200 d、300 d、350 d、400 d、450 d、500 d共8个时间节点，即研究坝体加固运营过程14个时间序列下渗流-变形特征。坝体渗透系数影响特性分别设定有10.0×10-6cm/s、5.0×10-6cm/s、1.0×10-6cm/s、0.5×10-6cm/s、0.1×10-6cm/s共五个方案。

3 坝体渗流-变形的时序演化特征

3.1 变形特征

根据对不同蓄水期时间下流固耦合场内坝体渗流-变形分析，获得坝体上、下游水平位移与坝体沉降位移特征，如图2所示。从图中可知，三者位移中最大为坝体沉降位移值，其在全过程中分布为0.38～0.70 m，而坝体上、下游水平位移值较前者分别具有差幅51.3%～87.8%、5.2%～58.3%。从位移时间序列上演化过程来看，沉降位移全过程均为递减变化，即随蓄水期及运营期，实质上坝体沉降为减小的过程，这样反映了坝基为逐步压实的过程。但坝体沉降的递减过程可分为三阶段，在施工加固蓄水期0～60 d，坝体沉降位移减小态势较弱，40 d、60 d位移值较之蓄水期10 d下分别减少了0.9%、1.9%，随施工期每10 d增长，坝体沉降位移平均降幅为0.3%；而在进入水库运营期后，沉降位移呈迅速陡降态势，在运营期100～400 d期间，其位移降幅达43.6%，每50 d运营平均可导致位移降幅达9.4%；而在进入运营稳定期后，沉降位移逐步趋于稳定状态，在运营期400～500 d期间维持在0.38 m左右。

图2 位移时序变化特征

坝体上、下游位移发展态势有所相反的态势，在施工加固蓄水涨幅期0～60 d，上游水平位移为递减变化，其降幅与沉降位移相近，平均每10 d可引起上游水平位移减少0.8%，但在该阶段内，下游水平位移呈稳定期，维持在0.33 m；进入运营期后，上、下游水平位移分别呈陡降、陡升态势，每50 d运营期，分别可导致上、下游水平位移降幅28.7%与增幅9.1%；而进入运营稳定期后，上、下游位移均进入平静状态，分别稳定为0.05 m、0.60 m。综上分析可知，流固耦合场下坝体上、下游水平位移发展态势相反，而上游水平位移发展态势与沉降位移有所类似，沉降位移在施工蓄水期与运营期全过程可分为“缓降-速降-平静”三阶段。

3.2 应力特征

基于流固耦合场中坝体稳定性计算，获得坝体大、小主应力变化特征，如图3。从图中分析可知，大、小主应力分布变化特征有所类似，均为“稳定-缓增-速降-平静”四阶段。在蓄水初期0～20 d，水位涨幅相比较小，水位的变化对坝体结构主应力影响较小，因而大、小主应力均为稳定状态，分别为1.58 MPa、0.90 MPa。随着蓄水位的增长，一方面增加了非稳定渗流的活跃性，另一方面人工除险加固施工扰动作用，综合影响坝体结构内部静力场，特别是堆筑料在活跃非稳定渗流作用下，其主应力会有一定促进作用[14]，因而该阶段内大、小主应力均缓增，在蓄水20～60 d期间内，大、小主应力的增幅分别为3.2%、11.5%，平均每10 d施工期，可引起两主应力增幅0.8%、2.8%。当蓄水期水位达到目标值后，进入运营期，渗流活动趋平静状态，因而主应力值均迅速降低，在运营期60～350 d内，大、小主应力分别减少了38.6%、39.5%，每50 d运营期引起了两主应力降幅8.3%、7.1%。在运营稳定期内，两主应力均趋于平静状态，分别为0.95 MPa、0.60 MPa，坝体渗流活动处于平静稳态期，加固后的防渗系统对渗流活动的干扰作用得到体现，坝体主应力处于安全状态。综合分析认为，坝体静力场的稳定性与防渗体系的建立及发挥作用具有密切关联性，有效的防渗结构体系有助于限制坝体结构张拉应力发展。

图3 应力时序变化特征

4 坝体渗流-变形的渗透系数影响

4.1 位移特征

当改变坝体渗透系数后，坝体流固耦合场内位移特征有所差异，图4为不同渗透系数下下游水平位移与沉降位移变化特征。

图4 位移受坝体渗透系数影响变化

从图中可知，当改变坝体渗透系数，坝体下游水平位移变化态势无显著差别，均为“缓增-陡增-平稳”三阶段特征，表明坝体渗透系数对下游水平位移变化态势影响较小。但当受渗透系数增大，坝体下游水平位移整体水平递增，如蓄水期30 d时渗透系数0.1×10-6cm/s下其位移为0.246 m，而渗透系数方案为0.5×10-6cm/s、5.0×10-6cm/s下位移值较之分别增大了5.1%、12.8%，在各施工蓄水节点内水平位移的平均增幅为3.3%～4.0%，而在运营期各节点上水平位移增幅较大，随渗透系数的梯次变化，平均增幅分布为7.6%～12.3%，表明水库蓄水期坝体下游水平位移受渗透系数差异影响更为敏感。

在不同渗透系数下，坝体沉降位移变化特征基本一致，无显著差异性，仅在其进入沉降稳定期的时间节点有所不同，如渗透系数0.1×10-6cm/s 方案下在运营期350 d时沉降稳定，而渗透系数0.5×10-6cm/s、5.0×10-6cm/s方案分别在400 d、500 d 达到稳定，表明渗透系数愈大，则运营稳定期坝体沉降位移趋平稳更为滞后。对比沉降位移量值可知，其与坝体渗透系数为负相关关系，在沉降陡降期200 d时渗透系数0.1×10-6cm/s下沉降位移为0.808 m，而渗透系数每梯次递增方案下其沉降平均可减少10.6%，陡降期与稳定期沉降位移受渗透系数的影响幅度基本一致，各时间节点处稳定在8%～10%。分析认为，坝体渗透系不影响沉降与水平位移的发展态势[15-16]，但对沉降、水平位移量值分别具有抑制、促进作用，且水平位移量值在蓄水期受影响敏感更显著，而沉降位移量值进入稳定期的时间节点会滞后。

4.2 应力特征

为研究不同渗透系数下坝体主应力影响特征，本文计算获得不同渗透系数下主应力变化，如图5所示。从图中可知，当渗透系数愈大，则坝体大主应力值愈高，而小主应力值愈低，如在蓄水期40 d下渗透系数0.1×10-6cm/s方案处大、小主应力分别为1.06 MPa、1.22 MPa，而渗透系数为1.0×10-6cm/s、10.0×10-6cm/s后，大主应力分别增大了7.1%、14.6%，小主应力分别降低了11.6%、27.9%。由此可知，土石坝渗透系数愈高，不利于坝体结构抗拉特性，对抑制坝体张拉破坏有所负面作用。

图5 主应力受坝体渗透系数影响变化

从大、小主应力变化特征受影响来看，整体趋势仍具有“稳定-缓增-速降-平静”阶段，但各阶段变幅有所差异，如渗透系数增大至10.0×10-6cm/s后，施工初期稳定段逐渐与缓增段融合，其增幅也可达12.7%，而在渗透系数0.1×10-6cm/s方案下增幅仅为4.0%；同样在渗透系数速降段，渗透系数愈大，则主应力降幅愈大，以小主应力为例，其在渗透系数0.1×10-6cm/s 、1.0×10-6cm/s、10.0×10-6cm/s三方案中该阶段的降幅分别为16.8%、26.5%、42.5%。由此可知，渗透系数会影响蓄水、运营各阶段主应力变幅，也会影响主应力量值。

5 结 论

(1)坝体沉降位移值最大，坝体上、下游水平位移值较前者分别具有差幅51.3%～87.8%、5.2%～58.3%；沉降位移的递减过程可分为“蓄水期缓降-运营期速降-运营稳定期平静”三阶段，坝体上、下游水平位移发展态势相反，且上游水平位移变化特征与沉降位移类似。

(2)大、小主应力全过程为“稳定-缓增-速降-平静”特征：稳定段位于蓄水初期0～20 d，大、小主应力分别为1.58 MPa、0.90 MPa，蓄水20～60 d期间内，主应力均缓增，增幅分别为3.2%、11.5%，运营期60～350 d内，主应力发生速降，分别减少了38.6%、39.5%，运营稳定期两主应力达到平静期，分别为0.95 MPa、0.60 MPa。

(3)坝体渗透系数增大，流固耦合场水平位移变化态势无影响，但下游整体水平位移递增，尤以蓄水期水平位移受影响更显著；渗透系数愈大，坝体沉降位移愈小，且进入稳定期更滞后。

(4)渗透系数愈大，坝体大、小主应力变化态势基本仍具四阶段特性，而其量值分别呈递增、递减变化，且各阶段主应力变幅均会减小。