多场耦合下南疆某干渠高边坡渗流状态分析研究

姜旭新

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

研究表明，渗流是导致土体边坡垮塌的重要因素之一。通过多场耦合的研究方式，研究土体内部水体在应力场和渗流场相互作用下的影响[1-2]，这种方法近年来被广泛使用。杨林德[3]等通过创建耦合模型来探究其对土体边坡的适用性，最终得到了验证。李勇泉[4]进行多场耦合机制的探究，阐明了其基本关系。田东方等[5]依次分析了边坡土体内部单场作用和多场耦合作用对边坡的影响，明确了其不同之处。针对该渗流作用场与应力作用场耦合分析计算模型的创建及其相互作用的研究，可大大保证干渠沿渠高边坡的安全稳定和正常运作[6-8]。

1 工程概况

本文对新疆某干渠高边坡渗流进行多场耦合下的有限元模拟计算。该干渠是南疆地区的重要工程输水渠道，近几十年来，给周边城镇及居民带来了显著的效益。但是近期却发现，两岸坝堤边坡土体的渗流逐渐增加，渠道水量日益减少，严重降低了该工程的效益。

该干渠沿渠两侧地层岩性众多，且交错复杂，其主要地质问题是边坡土体内部含有大量的抛石，并且由于粉质黏土和含黏土中粗砂均为半饱和及饱和状态，边坡内部水体流动现象较多，渗流严重，致使边坡土体不易沉积固结，经常发生坍塌失稳事故。为此，本文通过研究渗流-应力场的耦合，探究土体边坡内部水体的渗流状态，以分析阐明其内在渗流机理，力求降低边坡渗流，维持边坡稳定，为干渠的经济、高效运行提供保障。

2 研究方法

边坡土体中渗流作用场和地应力作用场的耦合是相互的，其耦合方法首先是渗流作用对地应力作用的影响，水渠中的水流通过边坡表面的缝隙进入到边坡内部，在边坡自身地应力的作用下，其内部水体不断转移，并在边坡中扩展出更多裂隙，最终引导更多的水进入边坡土体内部。根据渗透力与水体应力作用的关系，可得出渗透率公式如式(1)所示：

(1)

式中：f为渗透作用力,N；fx、fy、fz为渗透作用力f在x、y、z方向上的分力,N。

其次是土体应力场对其渗流场的影响，边坡土体在自重应力的作用下不断对内部裂隙中的水体进行挤压作用，使边坡内部土体软化区域逐渐扩大化，形成恶性循环，导致边坡失稳垮塌。通过物理力学三大基础方程相互联立求解方程组，同时结合流体力学相关定律公式如式(2)所示，最终计算可得：

(2)

式中：f为体积力向量；D为弹性矩阵；w为位移分量向量；μ为单位向量；M=[1 1 1 0 0 0]T;∂为求导后转置矩阵参数。

渗流作用与地应力作用相互结合的有限元解法是经过结构的离散和单元体矩阵的建立，最终在Abaqus中得以展现。而边坡土体单元体矩阵的建立则是由解方程组求得，最终计算求得的渗流作用场与自重应力作用场耦合的数学表达方程式如式(3)所示：

(3)

3 结果与分析

3.1 模型构建及工况计算

针对该干渠工程沿渠高边坡材料的特性，数值模拟模型的创建主要采用了线弹性模型和E-B本构模型两种材料本构模型进行模拟分析计算。结合现场地质资料，得到该边坡各个土层的相关参数数据，详见表1。

表1 边坡各个土层参数数据

根据数值模拟中本构模型的计算公式，同时结合式(1)、式(2)及式(3)，按照数值模拟有限元计算的方法，将表1相关数据输入到计算机中即可展开自动模拟计算分析。

根据干渠沿渠高边坡的现场勘探的地质地形实际情况，建立数值模拟有限元分析的模型，如图1所示，该模型共有5425个单元，5323个结点。结合干渠沿渠高边坡工程实际情况，渗流作用的数值模拟计算选取防渗挡体深入边坡土体内部的方案进行，依次选取长度为10 m、30 m、50 m 的防渗挡体进行区分模拟，然后依次进行计算机数值模拟计算分析。

图1 沿渠高边坡数值模拟模型计算网格

3.2 计算结果分析

图2、图3给出了新疆地区该干渠沿渠高边坡的孔隙水压力云图及沿渠高边坡土体和防渗挡体部分的孔隙水压力云图。

图2 沿渠高边坡孔隙水压力云图

图3 沿渠高边坡土体和防渗挡体孔隙水压力云图

由图2可知，干渠沿渠边坡在与水体直接接触的一侧，孔隙水压力较大，并且由坡底到坡顶孔隙水压力呈现由高到低的趋势，直至渠内水面处位置为止，外侧边坡不存在孔隙水压力；由图3可知，干渠沿渠边坡土体内部修建的防渗挡体中存在较高的孔隙水压力，底部防渗挡体的孔隙水压力最大，并在垂直方向上呈梯度方式递减，值得注意的是，在防渗挡体上部和边坡上部两者重合的地方，存在孔隙水压力大小分布不均的现象。

同时，由图3还可以看出，防渗挡体上下左右处和边坡在这些地方的重合处，出现了应力集中的现象，但防渗挡体的抗拉和抗压强度较大，能够承受该处的最大压应力值，防渗挡体不会被压坏，因此可以在该处设置防渗挡体，用来阻止边坡内部水体的渗流扩散作用。

图4、图5、图6分别给出了防渗挡体深入沿渠高边坡土体内部分别为10 m、30 m和50 m下，沿边坡水平面上的内部水体渗流扩散流速的分布情况。由该水体渗流扩散流速分布云图可知，沿渠高边坡土体内部水流在流经防渗挡体内侧时，其流速明显下降，并且在该处形成局部聚集趋势，并慢慢向上部转移，然后沿着相反的方向向水渠边坡水体侧流动，最后流至水渠水体表面，没有渗流到边坡土体内部更远的地方，大大抑制了水渠中的水体向边坡土体内部的渗流作用，这表明防渗挡体在边坡土体内部的防渗效果十分良好。

图4 10 m工况下边坡水平面水体渗流扩散流速分布云图

图5 30 m工况下边坡水平面水体渗流扩散流速分布云图

图6 50 m工况下边坡水平面水体渗流扩散流速分布云图

4 结 论

本文以新疆南疆地区某干渠沿渠实际高边坡工程为例，在三种不同工况的防渗方案下，分别进行了水体渗流作用场与边坡土体自重应力作用场的耦合数值模拟计算分析，并且运用Abaqus软件创建了三维有限元分析模型。针对设计的三种不同方案依次完成数值模拟分析，得到了边坡土体内部渗流流量的成果。从上述分析中我们可以得到如下结论：多场耦合作用对干渠沿渠高边坡土体内部水体的渗流作用有较大影响，而修建防渗挡体可有效减弱这一影响；防渗挡体深入边坡土石坝坝堤内部50 m处比较合理，是较好的方案，可在实际工程中加以运用，可为南疆地区干渠沿渠高边坡土体防渗工程提供一定参考。