坝基覆盖层非稳定渗流场与应力场耦合分析

陈 微

(方正县双凤水库综合服务中心，黑龙江 方正 150800)

1 概 述

深厚覆盖层是一种地质复杂、结构条件差的地基，对大坝的渗流起着至关重要的作用。文章将连续介质渗流应力耦合开发程序应用到实际工程中，将研究对象看做连续介质进行渗流场与应力场耦合研究，进行3种工况下的计算，并对3种工况的计算结果进行详细对比分析。结论表明在实际工程中考虑渗流应力耦合必要性和合理性。

深厚覆盖层地质条件复杂，受力条件差，其带来的绕坝渗漏、渗透稳定、沉陷及不均匀沉陷等问题对大坝的安全稳定性起着至关重要的作用[1]。坝基深厚覆盖层的渗透和力学性质很大程度上决定坝体的稳定安全，在大坝蓄水期，因库水位变化带来的水荷载及大坝自重，坝基覆盖层及坝体材料的物理性质不断改变，这些因素都将对大坝安全造成一定威胁，因此正确合理地分析坝基渗流场和应力场的分布，对大坝的安全运行具有重要意义。

2 连续介质非稳定渗流场与应力场耦合原理

二维连续介质应力场影响下非稳定渗流场的数学模型[2]为：

(1)

式中：h=h(x,y,z)为水头函数；k(σMij)=k(x,y,z)为各向渗透系数。

应力场函数数学模型为：

(2)

式中：Ω为渗流面下坝基区域；f1(x，y，z)为Γ1上水头分布；f2(x，y，z)为Γ2上流量分布。

3 工程实例

3.1 工程概况

某工程位于甘肃省文县境内，工程效益以发电为主，兼具生态灌溉功能。枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、引水洞、溢洪洞及发电厂房等组成，工程规模为二等大(2)型，大坝正常蓄水位为809m，最大坝高113m，坝顶宽12m，坝顶长度为352m，电站总装机容量240MW，设计年发电量9.84亿kW·h，水库正常蓄水位库容3.15亿m3[3]。面板为不等厚，厚度t=0.5+0.003H，覆盖层中的混凝土防渗墙与面板相连。

3.2 计算模型及参数

因绕坝渗漏小于坝基渗漏量，故不考虑该部分渗流。坝基覆盖层分3层：上部含碎石砂砾石层厚32m，中部砂卵砾石层厚18m，底部砂砾石层厚14m。计算时外部荷载为水荷载、渗透水压力荷载，坝体、覆盖层和基岩自重。计算模型单元划分采用八结点正六面体等参单元，共剖分1934节点，872个单元[4]。模型横断面示意图，见图1；有限元网格剖分图，见图2。坝体及坝基物理力学参数[5]，见表1。

图1 模型横断面示意图

图2 有限元网格剖分图

表1 坝体及坝基物理力学参数

3.3 边界条件

覆盖层基岩非稳定渗流场和应力场边界条件定义为下：

1)渗流场边界条件：水头边界：H|ABB′A′=800m；H|CDD′C′=700m。流量边界：Q|AEE′A′=Q|EFF′E′=Q|EFF′D′=0。

2)应力场边界条件：y向位移v|AEE′A′=v|DFF′D′=0；z向位移w|EFF′E′=0。

基于连续介质模型自主编制开发三维有限元耦合程序，并对该大坝的典型断面进行3种工况计算。坝基覆盖层非稳定渗流应力场耦合工况分析表，见表2。

表2 坝基覆盖层非稳定渗流应力场耦合工况分析表

3.4 计算结果

在考虑渗流场与应力场耦合与否条件下坝基覆盖层水头及应力分布图，见图3-9。

图3 不考虑耦合的坝基水头分布(水位下降10d)

图4 考虑耦合的坝基水头分布(水位下降10d)

图5 不考虑耦合的σz分布(水位下降10d)

图6 考虑耦合的σz分布(水位下降10d)

图7 不考虑耦合的坝基水头分布(水位下降20d)

图8 考虑耦合的坝基水头分布(水位下降20d)

图9 考虑耦合的σz分布(水位下降20d)

当库水位以0.5m/d的速率下降时，因覆盖层渗透系数远>混凝土防渗墙，在混凝土防渗墙处坝基水头下降很大，出现明显的水力坡降，极大降低了坝基渗透压力。库水位下降20d时，不考虑耦合作用，混凝土防渗墙的渗流量为3.89×10-7m3/s，考虑耦合作用时为3.72×10-7m3/s，对比认为耦合作用下更小，分析认为考虑耦合作用时，因土体变形，孔隙体积和渗透性降低，坝基的上游水头明显增加；通过渗流应力的耦合作用，使坝基的应力分量也相应增大。当库水位持续下降，坝基覆盖层内部水头带来滞后效应，耦合时该效应更显著，所以实际工程中要避免库水位的突升突降，使应力值保持在一定范围。

4 结 论

文章基于连续介质非稳定渗流场与应力场耦合原理，结合实际工程建立二维有限元模型，计算不同工况下坝基覆盖层的总水头和应力应变，成果表明考虑耦合作用时，因土受到水荷载作用，坝基覆盖层各应力分量都有所增大。库水位下降速度不同时，各个时刻的应力场分布基本一致，表明坝基覆盖层的水荷载不是应力场分析的主要荷载。