徐 晶
(庆达水利水电工程有限公司,哈尔滨 150080)
黏土心墙坝应力场与渗流场耦合分析研究
徐 晶
(庆达水利水电工程有限公司,哈尔滨 150080)
土石坝是当今水利工程中应用最广泛的坝型之一,防渗体系的构建在设计阶段作用突出,国内外多起溃坝事故起因多是坝体渗漏变形导致。在这些诱因中,库水位的升降引发的非稳定渗流问题最为突出,这决定了在实际工程中进行非稳定渗流场分析研究的必要性。文章结合工程实例,对黏土心墙坝进行渗流场与应力场耦合分析,通过与非耦合情况的计算结果对比,表明进行渗流场与应力场的耦合分析是符合工程实际的。
黏土心墙坝;稳定性;非耦合;耦合
土石坝是现在实际工程中应用最为广泛的坝型,土石坝的渗流场是由饱和区和非饱和区组成的统一体。土石坝的渗流场由饱和区和非饱和区共同组成[1],二者相互制约又相互联系。影响因素诸多,降雨量、水位的变化等均能改变饱和区和非饱和区的作用区域,理论上单独对非饱和区的渗流研究更能反映工程实际,假如单独进行饱和区的渗流分析,直接加大了计算难度,伴随着有时计算陷入死循环难以求解。
影响非饱和渗流运动的因素众多,且形态也较复杂,比如固、液、气三种不同形态、温度、体积比、压强和空气压力等,从力学角度范畴将这是多因子相互作用的共同结果,也是相互耦合的受力变化过程。目前国内随着多年的研究发现,对于非饱和渗流参数的确定至关重要,参数的确定才能计算分析得出非饱和渗流的渗流场分布规律[1]。为使更加密切联系工程实际,并为工程设计运行提供正确合理的理论依据,足以见土石坝饱和-非饱和渗流场的数值模拟分析的重要性。
1.1 渗流场与应力场的相互影响[2]
一般情况下,土体中各成分均处于平衡状态,一旦受到外力作用破坏土中的水平衡状态,土体中的渗流场和应力场势必会发生改变。在多孔岩土介质理论研究中,若土体内部产生水头差,进而导致水体渗流,产生的动水力将以渗流体积力的形式作用于岩土介质,渗流体积力成为外部载荷的渗透力,作用于岩土介质的应力场,引发位移场的相应变化,相应的孔隙比、孔隙率产生改变。在多孔介质中,孔隙比变化与土体渗透系数关系密切,渗透系数的改变影响渗透性能,进而岩土介质的渗流场也会相应发生变化。从原理上讲岩土介质的应力场和渗流场相互联系又相互统一,反映出两场之间的耦合关系,这种关系带来的影响在岩土介质运动过程中时刻都在发生。
1.2 渗流场与应力场耦合的有限元方程
非饱和土壤介质的土体本构模型,即非饱和土介质的增量应力应变关系[3],如下:
(1)
这个增量关系可简写成
{△σ}=[D]{△ε}-[D]{mH}(ua-uw)+{△ua}
(2)
式中:[D]为排水本构矩阵,
如果进一步假设在任何时间空气压力保持为大气压力,则方程(4.2)可变为
{△σ}=[D]{△ε}+[D]{mH}uw
(3)
当土单元为完全饱和时,土结构的总应力可写成
{△σ}=[D]{△ε}+{m}△uw
(4)
式中:{m}为单位各向同性张量,(1 1 1 0)。
对比后两个方程可以看出,当土体弯曲饱和时:
[D]{mH}={m}
(5)
对线弹性材料,土体完全饱和时下式是成立的。
(6)
2.1 工程概况
某水利枢纽工程规模为大(1)型一等工程,主要水工建筑物包括大坝、泄洪洞、引水发电隧洞和电站厂房。水库总库容16.24亿m3,电站装机350MW,综合效益以灌溉为主,兼有发电、防洪等效益。大坝为黏土心墙坝 ,正常高水位为994.0m,设计洪水位为998m,校核洪水位为1001.3m,最大坝高105m,坝顶长358m, 坝顶宽度14m[4],大坝的典型断面如图1。
图1某大坝典型断面剖面图
2.2 计算模型
计算模型的范围选取:该黏土心墙坝最大坝高为105m, 分别沿坝踵上、下游各取100m,约1倍的坝高,Y方向,从基岩面竖直向下取100m。
计算坐标系定义如下:X向为顺河流方向指向下游为正;Y向为竖直方向指向上为正。有限元网格划分:采用三角形和四边形单元相结合的形式进行单元剖分。模型剖分后单元总数6224个,结点总数6285个。大坝有限元模型[5]如图2所示。
图2 大坝有限元模型
2.3 计算参数
根据实验资料,统计出坝体和坝基各材料参数见表1和表2。
表1 坝基材料参数表
表2 坝体材料参数表
研究库水位从正常水位998m以1m/d速度下降到死水位966m水位,下游水位为916.4m保持不变的情况下渗流场与应力耦合分析。
2.4 计算结果
1)渗流场变化
图3 非耦合情况下历时6d的总水头变化等值线图
图4 耦合情况下历时6d的总水头变化等值线图
图5 非耦合情况下历时2d孔隙水压力等值线图
图6 耦合情况下历时2d孔隙水压力等值线图
图3和图4为库水位下降速度在1m/d时历时6d对应的总水头线分布图。图3-图5和图3-图6为库水位下降历时2d时的孔隙水压分布图。
由于心墙料渗透系数远小于坝壳料,库区水位下降时,坝壳料的浸润线高度与库水位下降同步,滞后性不明显。但随着时间变化,心墙料浸润线的滞后现象非常明显。浸润线以下坝壳区和坝基区,耦合情况下的总水头值和孔隙水压力值相比非耦合情况数值均偏大。
2)位移场变化
通过计算可得到库水位下降工况下的水平位移和竖直沉降量,如图7-图10。
图7 非耦合情况下历时2d的位移分布等值线图
图8 耦合情况下历时2d的位移分布等值线图
图9 非耦合情况下历时2d的坝体竖直沉降分布等值线图
图10 耦合情况下历时2d的坝体竖直沉降分布等值线图
图7、图8为耦合与非耦合情况下库水位下降速度工况下对应的水平位移分布,图9和图10为竖向沉降量分布图。
库水位下降时坝体上、下游分别向各自方向移动,同时受水压力作用,这个坝体趋向下游移动。水平位移变化最小值产生于上游堆石料内,约坝高的2/5位置处。耦合情况下整体位移变化值大于非耦合情况,最大值分布区的水平位移耦合情况下小于非耦合情况,这是因为孔隙水压力消散时产生向上游的压力,降低了上游堆石区的水平位移变化,同时推动了下游堆石区的位移变化。
坝体竖向沉降量随库水位下降不断增大,达到最大值后保持不变。沉降量耦合情况明显>非耦合情况,其原因也是由于土体孔隙水压力消散导致的。
3)应力场变化
通过计算,可得到不同时刻的坝体大主应力和小主应力的等值线分布图。计算结果如图11-图14。
图11 非耦合情况下历时0d大主应力分布等值线图
图12 耦合情况下历时0d大主应力分布等值线图
图13 非耦合情况下历时0d小主应力分布等值线图
图14 耦合情况下历时0d小主应力分布等值线图
图中可看出耦合情况下的应力值小于非耦合情况。随着库水位的下降,非耦合情况下,应力变化随时间推移逐渐减小,达到一定值后,应力缓慢回升并趋于稳定状态。应力分布与深度呈线性关系,耦合情况下渗流场受到孔隙水压力的作用,心墙底部的应力值变小,拱效应极易产生,对坝体的安全稳定性造成极大威胁。
文章在对土石坝渗流场与应力场耦合分析原理的基础上,结合某黏土心墙坝,建立有限元计算模型,分析在库水位以一定速度下降工况下坝体渗流场和应力场耦合作用,计算得到大坝的渗流场、应力场、位移场的各分布曲线图,并与非耦合情况下的渗流场和应力场单场进行对比分析,验证了在土石坝稳定性分析中考虑渗流场和应力场耦合的必要性。
[1]顾慰慈.渗流计算原理及应用[M].北京:中国建材工业出版社,2000.
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1007-7596(2017)08-0035-04
2017-07-16
徐晶(1982-),女,黑龙江克东人,工程师。
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