土工膜应用于山口水库鱼苗孵化池防渗的计算与分析

朱 亮

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，乌鲁木齐 830052)

土工膜应用于山口水库鱼苗孵化池防渗的计算与分析

朱 亮

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，乌鲁木齐 830052)

采用邓肯张材料本构模型和渗流的流固耦合方法对鱼池复合土工膜防渗问题进行了计算。主要分析了复合土工膜作为鱼池的防渗体时，池顶稳定渗流期能否满足安全要求；土工膜能否有效降低池身内的浸润线和减小池壁的渗流量。结果表明能够达到预期效果。文中方法为检验鱼池防渗设计方案的合理性提供了依据。

土工膜；应力应变；渗流；计算；方法

山口水库鱼苗孵化池位于山口水库上游右岸。依据地势在水库边用天然戈壁料填筑而成，鱼池蓄水后，由于鱼池内外形成由上游向下游的渗流。渗流不仅使鱼池损失水量，增大鱼池补水量，降低了鱼苗孵化池的水温，还易引起流土等渗透变形，这对鱼池边坡稳定不利。因此防渗成为鱼池正常运行时需要考虑的重要问题，必须采取防渗措施以减少渗漏，保证鱼池的渗透稳定和孵化鱼苗安全。随着人工材料的发展，近些年来，复合土工膜作为一种防水材料开始用于各种工程防渗中。复合土工膜是用土工织物与土工膜复合而成的不透水材料，它主要用于防渗，其抗拉、抗撕裂、顶破等物理力学性能指标高，能满足水利、市政、建筑、交通、地铁、隧道等土木工程需要。由于其选用高分子材料且生产工艺中添加了防老化剂，还可在非常规温度环境中使用[1]。本文将运用有限元软件，采用邓肯张材料本构模型和流固耦合渗流分析方法对土工膜应用于山口水库鱼苗孵化池防渗这一问题进行相应的计算和探讨，以分析其对池壁应力应变和渗流的影响。

1 计算原理及方法

1.1 鱼池池身材料本构模型

本文采用邓肯张E-B模型作为鱼池池身的本构模型。邓肯等人根据土料三轴试验的偏应力与轴向应变近似呈双曲线的假定，提出邓肯张模型。该模型的切线弹性模量表达式为：

(1)

式中：s为应力水平，表示材料抗剪强度的发挥程度，表达式为：

(2)

考虑土体的强度非线性时，内摩擦角为：

(3)

式中：φ0为σ3=pa时的φ值；Δφ反映φ值随σ3而降低的幅度。

切线体积模量的表达式为：

(4)

式中：c为黏聚力；为内摩擦角，Rf为破坏比；pa为单位大气压力；K、Kb、m、n为模型参数，均由常规三轴试验得出。

1.2 渗流计算方法

本文采用非饱和渗流的流固耦合方法进行渗流计算[2]，典型边界条件示意图如图1所示。其中各条的边界条件具体情况为：①S1是鱼池水位以下部分，边界条件为池内已知总水头。②S2是池外库水位以下部分，边界条件为池外库水位已知总水头。③S3是坝基不透水基岩，为不透水边界条件，通过该边界的流量为零。④S4为浸润线，其位置是未知的。该边界上孔隙水压力为零。⑤S5为自由渗出段边界，孔隙水压力为零，且渗流只能沿着下游坡面。在有限元软件中，该种边界条件只允许孔隙水从分析区域中流出，而不允许水流进入。

图1 鱼池非饱和渗流示意图典型边界条件

2 算例计算

山口水库鱼苗孵化池池身用砂砾石填筑而成，采用复合土工膜铺设在池内作为防渗体。池身最高7m，坝顶宽5m，鱼池水位绝对对高程915.5m。上游平均坝坡为1∶2.5，下游平均坝坡为1∶2.5。坝壳料邓肯张E-B横型参数如下：K为500；n为0.35；Rf为0.80；C为50kPa；φ0为30°；△φ为0°；Kur为800；Kb为470；m为0.15；ρ/g·cm-3为2.4g/cm3。坝壳料渗透系数为3.91×10-6m/s；复合土工膜渗透系数为1.20×1012m/s。

本文考虑竣工期和稳定渗流期两种工况。根据坝体施工分层填筑的实际情况和坝体材料的非线性特性，采用逐级施加荷载的方法填筑上升。计算模型中的荷载按照坝体施工填筑的先后次序分12级来模拟，顺序如下：①第1～2级：上游围堰分两层逐级加载；②第3～11级：坝体分九层逐级加载，包括下游排水棱体；③第12级：水库蓄水至112.5m相对高程。有限元网格共划分943个节点，860个单元，应力应变计算时单元类型为CPE4单元，即四节点四边形平面应变单元，渗流计算时单元类型为CPE4P单元，即四节点四边形平面应变及孔隙压力单元。

3 计算成果与分析

本文主要讨论计算结果中坝壳料堆石体的位移、应力、应变，以及大坝整体的渗流量。首先将计算结果中竣工期与稳定渗流期坝体的各物理量极值提取出来，见表3。其中，垂直位移向下为正；水平位移向上游为负，向下游为正；应力和应变受压为正，受拉为负。通过对从表中的极值进行分析得出，坝体产生的应力应变在安全范围以内，能够满足安全要求。

绘制土石坝的孔隙水压力等值线图，如图3所示。从计算结果中提取迎水面上各节点的渗透流量值，相加之后得到该计算模型的渗透流量为3.03×10-5m3/(s·m)，满足安全运行要求。从孔隙水压力等值线图中可以得出，孔隙水压力为0的线即为浸润线，孔隙水压力等值线在土工膜部位急剧下降，说明防渗效果明显。

表3 大坝应力应变极值和渗流量

图3大坝孔隙水压力等值线图

4 结 语

本文运用有限元软件，采用邓肯张材料本构模型和渗流的流固耦合方法对土石坝复合土工膜防渗问题进行了计算。通过对结果的分析，主要得出以下结论：①采用复合土工膜作为鱼池的防渗体，可以满足坝体在稳定渗流期的稳定安全要求。②复合土工膜能够明显降低鱼池池身内的浸润线，并明显减小鱼池池身的渗流量，为鱼池的正常运行提供了保障。本文的方法为检验土石坝防渗设计方案的合理性提供了依据，同时证明了采用有限元方法计算此类的可行性，为相关类似工程的分析提供了参考和借鉴。

[1]窦宝松.土工膜的作用机理及其在水利水电工程中的应用[J].水利水电技术，2000(04):87-89.

[2]代凌辉，张玓，杨卫元.土石坝渗流的流固耦合方法计算分析[J].黄河水利职业技术学院学报，2013，25(02)：10-11,16.

1007-7596(2014)03-0105-02

2013-10-09

朱亮(1985-)，男，新疆乌鲁木齐人，工程师，从事水利工程施工管理研究工作。

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