基于流固耦合理论的水利工程防渗墙渗流稳定性研究

刘珍武

(湖北省荆州市长江工程开发管理处,湖北 荆州 434000)

1 概 述

据统计,截至2011年,我国已建完成且投入使用的水库大坝约98 000座。其中,深厚覆盖层上的大坝在修建完成后,大坝的应力场会发生改变,坝体与坝基的渗透性及力学性质发生改变,处于复杂的应力耦合状态。

王正成等[1]基于数值模型,研究了水库垂直防渗墙合理深度的确定方法。结果表明,当防渗墙的嵌入深度为0.6时,出逸坡降和防渗墙底部渗透坡降均小于允许渗透坡降,实际工程中防渗墙嵌入基岩3～5m为最优嵌入深度。王正成等[2]基于数值模拟,研究了多元结构深厚覆盖层透水地基的力学特性。结果表明,透水性较强的表层土体是渗流主要通道,也是渗流进出区和沉降变形体现区;采用垂直防渗墙可以大大提高大坝的渗透性并降低渗流量;对于大坝上游坝基变形导致对防渗墙的较大推力,应采用增强性措施。高江林等[3]采用数值模型,研究了渗流与应力耦合的防渗墙与坝体相互作用规律。结果表明,与非耦合的计算方法相比,耦合数值模型能较好模拟防渗墙与坝体的相互作用。此外,土石坝防渗墙墙体的应力主要由水平荷载导致,不考虑两者的耦合作用会导致计算结果偏于不安全。刘占涛[4]基于有限元数值模拟,研究了深厚覆盖层黏土心墙坝稳定性。结果表明,黏土心墙坝的稳定系数均会随着库水位的升高而减小,采用流固耦合方式可有效提高黏土心墙坝的稳定性。高江林[5]综合采用模型试验和数值模拟,分析了防渗墙与坝体相互作用。结果表明,刚性混凝土墙主要承受拉应力,而塑性混凝土防渗墙主要承受压应力;坝体的填筑材料、坝基透水性能及基岩强度等因素,对刚性混凝土墙的应力影响明显比塑性混凝土防渗墙影响更为显著。

上述文献显示,大多数关于土石坝研究均未考虑应力场和渗流场的耦合作用。因此,本文基于比奥固结理论,通过连续性方程建立有限元控制方程,推导大坝渗流场和应力场耦合的计算模型,系统研究耦合效应对防渗墙内力及变形的影响。研究结果可为大坝防渗墙的设计及加固提供参考。

2 计算理论与数值模型

2.1 耦合模型

基于固体与流体质量守恒理论及连续性方程,建立平衡微分方程。其中,土体骨架采用邓肯本构模型。

基于有效应力原理,得到三维比奥固结微分表达式:

式中:G为材料的剪切模量,Pa;μ为泊松比;u为位移分量,m;γ为体积力张量,Pa;p为水压力,Pa。

基于达西定律和水的渗流连续性方程,可以得到有限元控制方程:

土体的孔隙率和初始渗透系数及土体的一般渗透系数具有以下相关关系:

式中:εv为材料体积应变,无量纲。

2.2 数值计算模型

本文研究的坝体位于深厚覆盖层上,覆盖层最大厚度130m。其中,大坝坝顶高程2 000m,采用厚度为1m的封闭式混凝土防渗墙。根据钻孔资料揭示,岩层由上至下分别为粉砂层、粉土及漂石卵石层。为了提高大坝的承载力,在闸室区域下方进行20m固结注浆处理。大坝典型剖面见图1。覆盖层及岩土体采用邓肯-常模型,闸基、混凝土防渗墙以及闸室底板采用均质线弹性模型。其中,混凝土采用C30级别,弹性模量30GPa,泊松比0.21;基岩的弹性模量20GPa,泊松比0.20,具体的参数见表1。

表1 材料参数汇总

图1 大坝典型剖面图

采用ABAQUS建立数值计算模型。为了模拟防渗墙和岩土体的接触,考虑防渗墙和岩土体物理力学性质的巨大差异性,本文在两者之间设置Goodman接触单元。数值模型中,网格划分均采用四边形单元。最终模型的网格总数2 578个,节点单元2 798个。模型方向为假定河水流向为X轴,与河水流向垂直为Y轴。

3 结果与分析

采用渗流场与应力场耦合算法及仅考虑应力场工况下,大坝防渗墙的最大主应力随高程的变化趋势见图2。结果表明,在正常蓄水位下,最大主应力在耦合与非耦合情况下的分布特征基本相同,均随深度增大而增大,在靠近基岩位置处,由于防渗墙嵌固基岩,导致墙体的应力发生突变。此外,在不同岩层接触面处,应力均有大小各异的突变产生。两种算法下,最大主应力为62MPa。

图2 防渗墙的最大主应力

两种不同算法下防渗墙的最大主应力与最小主应力差值分布规律见图3。结果表明,两种算法得到的应力差随高程的增大均有一定程度的减小,但采用非耦合算法得到的应力差值明显比非耦合算法的差异性更大。其中,耦合算法应力差值最大为1 600kPa,而非耦合算法得到的应力差仅为30kPa。

图3 防渗墙的最大主应力与最小主应力差值

两种不同算法下防渗墙水平位移分布规律见图4。结果表明,两种算法得到的水平位移随高程的增大而增大。当水库蓄水后,由于水压力的作用导致防渗墙向下游方向发生变形。但在基岩位置处,由于防渗墙嵌入到基岩内部,因此该位置处的水平位移基本为零。总体来看,采用耦合算法得到的位移比非耦合算法的更小。其中,采用非耦合算法得到的防渗墙水平位移的最大值为180mm,而采用耦合算法得到的防渗墙的最大水平位移仅为120mm。

图4 防渗墙的水平位移

防渗墙的水平位移差值分布规律见图5。结果表明,防渗墙与基岩交界面位置处墙底的水平位移为0。随高程的增大,水平位移的差值逐渐增大,水平位移的最大差值为6.6cm。其中,在防渗墙与基岩接触的位置处,由于基岩对防渗墙的约束作用,在防渗墙底部墙的位移基本为0,这与实际情况基本吻合。

图5 防渗墙的水平位移差值

蓄水过程中,采用耦合算法得到的土体孔隙率的变化规律见图6。结果表明,随着防渗墙主应力的变化,土体的孔隙率也在变化,其中初始孔隙率为0.399。当水位在1 930～1 935m过程中,Q4地层的孔隙率随水平距离的增大先减小后增大,孔隙率最小值为0.081 6;Q3地层的孔隙率最小值为0.075。

图6 土体孔隙率的变化

土体渗透系数的变化规律见图7。结果表明,Q4覆盖层土体的渗透系数为0.39。总体来看,顺河方向的覆盖层土体孔隙率与渗透性质与覆盖层的变形相关。但在靠进防渗墙的位置处,由于受到防渗墙的约束作用,两者变化比较平稳。覆盖层变形越大,对应的孔隙率和渗透性质变化越大[6]。

图7 土体渗透系数的变化

4 结 论

本文采用数值模拟方法,对渗流场与应力场耦合算法及不耦合算法下大坝防渗墙的应力及变形规律进行了分析,结论如下:

1)在正常蓄水位下,最大主应力在耦合与非耦合情况下的分布特征基本相同,均随深度增大而增大,靠近基岩位置处,导致墙体的应力发生突变。两种算法得到的水平位移随高程的增大而增大。总体上,采用耦合算法得到的位移比非耦合算法的更小。

2)随着防渗墙主应力的变化,土体的孔隙率也在变化,覆盖层变形越大,对应的孔隙率和渗透性质变化越大。

3)对于深厚覆盖层修建的大坝,由于渗流场和应力场的相互影响时非常显著,因此采用渗流场和应力场耦合的计算方法更适合。