土石坝黏土心墙防渗方式的有限元分析

王 鹏 赵东领

(1.平顶山市郏县水利局汝河管理所，河南 平顶山 467100； 2.开封县水利局柳园口灌区管理处，河南 开封 475100)



·水利工程·

土石坝黏土心墙防渗方式的有限元分析

王 鹏1赵东领2

(1.平顶山市郏县水利局汝河管理所，河南 平顶山 467100； 2.开封县水利局柳园口灌区管理处，河南 开封 475100)

采用大型通用有限元计算软件，依据岩土工程中常用的应力应变材料本构模型和渗流计算方法对黏土心墙防渗方案进行了计算，主要分析了大坝在竣工期和稳定渗流期能否安全运行、心墙防渗的作用以及心墙发生水力劈裂的可能性，为检验土石坝黏土心墙防渗设计方案的合理性提供了参考。

土石坝，黏土心墙，应力应变，水力劈裂

土石坝是一种非常古老且应用广泛的坝型。由于土石坝由散粒材料构成，在运行管理中，渗流成为主要的问题。在具体工程中，土石坝有多种防渗材料，比如黏土、沥青混凝土、混凝土以及土工膜等等。本文采用数值模拟思路对黏土心墙防渗进行计算和分析。数值模拟采用的是有限元方法，该方法适应性强，可以模拟多种复杂的岩土和地质问题，提高了解决工程实际问题的能力和效率。渗流采用流固耦合方法，该方法是将土体内的孔隙水压力与固体材料进行协同计算，较大程度地反映了渗流真实情况。本文依据这两种岩土工程中常用的应力应变材料本构模型和渗流计算方法对黏土心墙防渗方案进行计算，主要分析大坝在竣工期和稳定渗流期能否安全运行、心墙防渗的作用，以及心墙发生水力劈裂的可能性。

1 基本原理

2 数值算例

某黏土心墙土石坝坝高118 m，顶宽9 m，校核洪水位为112.5 m。坝坡上游1∶2、下游1∶1.5。大坝的断面示意图如图1所示。坝体各分区的渗透系数分别为：坝体材料：3.9×10-6m/s，心墙材料：1.4×10-8m/s，反滤料材料：2×10-6m/s。筑坝材料的Duncan-Chang模型参数见表1。有限元数值模拟方案主要思路为：依据土石坝实际施工时分层施工的特点，有限元模型也采用分层加荷的形式。分层加荷完毕，计算竣工期的应力应变情况。然后在大坝填筑完成的前提下，施加水荷载，模拟蓄水的情况。有限元模型的单元形式在计算应力应变时采用平面应变的单元，计算渗流时，再加一个孔隙水压力的自由度，以更准确地反映渗流情况。

表1 应力应变材料本构模型相关参数

3 计算成果与分析

针对黏土心墙防渗方案，主要讨论计算结果中坝体堆石料和黏土心墙的应力情况，以及心墙是否会发生水力劈裂破坏。计算结果见表2。黏土心墙防渗方案稳定渗流期孔隙水压力如图2所示。大坝稳定渗流期的渗流量为4.21×10-6m3/(s·m)，稳定渗流期孔隙水压力等值线图如图2所示。根据分析结果得出，大坝在竣工期和稳定渗流期的变形、应力和渗流量均在允许范围以内，不会发生破坏。

表2 黏土心墙防渗方案大坝变形和应力极值

水力劈裂是由于水压力的抬高在岩体或土体中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象。水力劈裂是高压水流或其他液体将岩体内已有的裂纹、孔隙驱动扩张、扩展、相互贯通等物理现象的统称。水力劈裂的裂缝一般是水平向的，它们通常发生在坝顶附近，且多在相对较小的水头作用下产生。水力劈裂一旦发生，则心墙会在强大水压力的作用下不断地把心墙劈开，从而贯通心墙，引起集中渗流，导致严重事故的产生。本文从计算结果中提取出心墙上游表面不同高程处的竖向应力和水产生的压力，并且予以比较，对比情况如图3所示。从对比情况得出，心墙在不同的高程处，竖向应力总是大于水压力，因此心墙是安全的，不会发生水力劈裂。

4 结语

本文采用大型通用有限元计算软件，主要分析大坝在竣工期和稳定渗流期能否安全运行、心墙防渗的作用以及心墙发生水力劈裂的可能性。本文依据岩土工程中常用的应力应变材料本构模型和渗流计算方法对黏土心墙防渗方案进行了计算。通过对数值算例的计算和分析，得出该工程采用黏土心墙防渗能够明显降低浸润线、减小渗流量，心墙不会发生水力劈裂破坏，可以满足安全运行要求。本文为检验土石坝黏土心墙防渗设计方案的合理性提供了参考和借鉴。

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Finite element analysis of seepage resisting method of earth-rock clay core dam

Wang Peng1Zhao Dongling2

(1.PingdingshanJiaCountyHydraulicBureauRuRiverAdministrationDepartment,Pingdingshan467100,China;2.KaifengCountyHydraulicBureauLiuyuanIrrigationAdministrationDepartment,Kaifeng475100,China)

Adapting large-scale finite element computation software, according to common stress strain material structure model and seepaging computation method, the paper calculates the earth-rock clay core dam seepage resisting scheme, mainly analyzes the dam safety operation, core wall seepage resisting functions and core wall hydraulic fracturing possibility during the dam completion period and stable seepage period, which has provided some guidance for testing the rationality of earth-rock clay core dam seepage resisting design scheme.

earth-rock dam, clay core dam, tress strain, hydraulic fracturing

1009-6825(2015)01-0224-02

2014-10-27

王 鹏(1982- )，男，助理工程师； 赵东领(1982- )，男，助理工程师

TV641

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