土工膜應(yīng)用于山口水庫(kù)魚(yú)苗孵化池防滲的計(jì)算與分析

朱 亮

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，烏魯木齊 830052)

土工膜應(yīng)用于山口水庫(kù)魚(yú)苗孵化池防滲的計(jì)算與分析

朱 亮

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，烏魯木齊 830052)

采用鄧肯張材料本構(gòu)模型和滲流的流固耦合方法對(duì)魚(yú)池復(fù)合土工膜防滲問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算。主要分析了復(fù)合土工膜作為魚(yú)池的防滲體時(shí)，池頂穩(wěn)定滲流期能否滿(mǎn)足安全要求；土工膜能否有效降低池身內(nèi)的浸潤(rùn)線(xiàn)和減小池壁的滲流量。結(jié)果表明能夠達(dá)到預(yù)期效果。文中方法為檢驗(yàn)魚(yú)池防滲設(shè)計(jì)方案的合理性提供了依據(jù)。

土工膜；應(yīng)力應(yīng)變；滲流；計(jì)算；方法

山口水庫(kù)魚(yú)苗孵化池位于山口水庫(kù)上游右岸。依據(jù)地勢(shì)在水庫(kù)邊用天然戈壁料填筑而成，魚(yú)池蓄水后，由于魚(yú)池內(nèi)外形成由上游向下游的滲流。滲流不僅使魚(yú)池?fù)p失水量，增大魚(yú)池補(bǔ)水量，降低了魚(yú)苗孵化池的水溫，還易引起流土等滲透變形，這對(duì)魚(yú)池邊坡穩(wěn)定不利。因此防滲成為魚(yú)池正常運(yùn)行時(shí)需要考慮的重要問(wèn)題，必須采取防滲措施以減少滲漏，保證魚(yú)池的滲透穩(wěn)定和孵化魚(yú)苗安全。隨著人工材料的發(fā)展，近些年來(lái)，復(fù)合土工膜作為一種防水材料開(kāi)始用于各種工程防滲中。復(fù)合土工膜是用土工織物與土工膜復(fù)合而成的不透水材料，它主要用于防滲，其抗拉、抗撕裂、頂破等物理力學(xué)性能指標(biāo)高，能滿(mǎn)足水利、市政、建筑、交通、地鐵、隧道等土木工程需要。由于其選用高分子材料且生產(chǎn)工藝中添加了防老化劑，還可在非常規(guī)溫度環(huán)境中使用[1]。本文將運(yùn)用有限元軟件，采用鄧肯張材料本構(gòu)模型和流固耦合滲流分析方法對(duì)土工膜應(yīng)用于山口水庫(kù)魚(yú)苗孵化池防滲這一問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和探討，以分析其對(duì)池壁應(yīng)力應(yīng)變和滲流的影響。

1 計(jì)算原理及方法

1.1 魚(yú)池池身材料本構(gòu)模型

本文采用鄧肯張E-B模型作為魚(yú)池池身的本構(gòu)模型。鄧肯等人根據(jù)土料三軸試驗(yàn)的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變近似呈雙曲線(xiàn)的假定，提出鄧肯張模型。該模型的切線(xiàn)彈性模量表達(dá)式為：

(1)

式中：s為應(yīng)力水平，表示材料抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度，表達(dá)式為：

(2)

考慮土體的強(qiáng)度非線(xiàn)性時(shí)，內(nèi)摩擦角為：

(3)

式中：φ0為σ3=pa時(shí)的φ值；Δφ反映φ值隨σ3而降低的幅度。

切線(xiàn)體積模量的表達(dá)式為：

(4)

式中：c為黏聚力；為內(nèi)摩擦角，Rf為破壞比；pa為單位大氣壓力；K、Kb、m、n為模型參數(shù)，均由常規(guī)三軸試驗(yàn)得出。

1.2 滲流計(jì)算方法

本文采用非飽和滲流的流固耦合方法進(jìn)行滲流計(jì)算[2]，典型邊界條件示意圖如圖1所示。其中各條的邊界條件具體情況為：①S1是魚(yú)池水位以下部分，邊界條件為池內(nèi)已知總水頭。②S2是池外庫(kù)水位以下部分，邊界條件為池外庫(kù)水位已知總水頭。③S3是壩基不透水基巖，為不透水邊界條件，通過(guò)該邊界的流量為零。④S4為浸潤(rùn)線(xiàn)，其位置是未知的。該邊界上孔隙水壓力為零。⑤S5為自由滲出段邊界，孔隙水壓力為零，且滲流只能沿著下游坡面。在有限元軟件中，該種邊界條件只允許孔隙水從分析區(qū)域中流出，而不允許水流進(jìn)入。

圖1 魚(yú)池非飽和滲流示意圖典型邊界條件

2 算例計(jì)算

山口水庫(kù)魚(yú)苗孵化池池身用砂礫石填筑而成，采用復(fù)合土工膜鋪設(shè)在池內(nèi)作為防滲體。池身最高7m，壩頂寬5m，魚(yú)池水位絕對(duì)對(duì)高程915.5m。上游平均壩坡為1∶2.5，下游平均壩坡為1∶2.5。壩殼料鄧肯張E-B橫型參數(shù)如下：K為500；n為0.35；Rf為0.80；C為50kPa；φ0為30°；△φ為0°；Kur為800；Kb為470；m為0.15；ρ/g·cm-3為2.4g/cm3。壩殼料滲透系數(shù)為3.91×10-6m/s；復(fù)合土工膜滲透系數(shù)為1.20×1012m/s。

本文考慮竣工期和穩(wěn)定滲流期兩種工況。根據(jù)壩體施工分層填筑的實(shí)際情況和壩體材料的非線(xiàn)性特性，采用逐級(jí)施加荷載的方法填筑上升。計(jì)算模型中的荷載按照壩體施工填筑的先后次序分12級(jí)來(lái)模擬，順序如下：①第1～2級(jí)：上游圍堰分兩層逐級(jí)加載；②第3～11級(jí)：壩體分九層逐級(jí)加載，包括下游排水棱體；③第12級(jí)：水庫(kù)蓄水至112.5m相對(duì)高程。有限元網(wǎng)格共劃分943個(gè)節(jié)點(diǎn)，860個(gè)單元，應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算時(shí)單元類(lèi)型為CPE4單元，即四節(jié)點(diǎn)四邊形平面應(yīng)變單元，滲流計(jì)算時(shí)單元類(lèi)型為CPE4P單元，即四節(jié)點(diǎn)四邊形平面應(yīng)變及孔隙壓力單元。

3 計(jì)算成果與分析

本文主要討論計(jì)算結(jié)果中壩殼料堆石體的位移、應(yīng)力、應(yīng)變，以及大壩整體的滲流量。首先將計(jì)算結(jié)果中竣工期與穩(wěn)定滲流期壩體的各物理量極值提取出來(lái)，見(jiàn)表3。其中，垂直位移向下為正；水平位移向上游為負(fù)，向下游為正；應(yīng)力和應(yīng)變受壓為正，受拉為負(fù)。通過(guò)對(duì)從表中的極值進(jìn)行分析得出，壩體產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變?cè)诎踩秶詢(xún)?nèi)，能夠滿(mǎn)足安全要求。

繪制土石壩的孔隙水壓力等值線(xiàn)圖，如圖3所示。從計(jì)算結(jié)果中提取迎水面上各節(jié)點(diǎn)的滲透流量值，相加之后得到該計(jì)算模型的滲透流量為3.03×10-5m3/(s·m)，滿(mǎn)足安全運(yùn)行要求。從孔隙水壓力等值線(xiàn)圖中可以得出，孔隙水壓力為0的線(xiàn)即為浸潤(rùn)線(xiàn)，孔隙水壓力等值線(xiàn)在土工膜部位急劇下降，說(shuō)明防滲效果明顯。

表3 大壩應(yīng)力應(yīng)變極值和滲流量

圖3大壩孔隙水壓力等值線(xiàn)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用有限元軟件，采用鄧肯張材料本構(gòu)模型和滲流的流固耦合方法對(duì)土石壩復(fù)合土工膜防滲問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析，主要得出以下結(jié)論：①采用復(fù)合土工膜作為魚(yú)池的防滲體，可以滿(mǎn)足壩體在穩(wěn)定滲流期的穩(wěn)定安全要求。②復(fù)合土工膜能夠明顯降低魚(yú)池池身內(nèi)的浸潤(rùn)線(xiàn)，并明顯減小魚(yú)池池身的滲流量，為魚(yú)池的正常運(yùn)行提供了保障。本文的方法為檢驗(yàn)土石壩防滲設(shè)計(jì)方案的合理性提供了依據(jù)，同時(shí)證明了采用有限元方法計(jì)算此類(lèi)的可行性，為相關(guān)類(lèi)似工程的分析提供了參考和借鑒。

[1]竇寶松.土工膜的作用機(jī)理及其在水利水電工程中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2000(04):87-89.

[2]代凌輝，張玓，楊衛(wèi)元.土石壩滲流的流固耦合方法計(jì)算分析[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，25(02)：10-11,16.

1007-7596(2014)03-0105-02

2013-10-09

朱亮(1985-)，男，新疆烏魯木齊人，工程師，從事水利工程施工管理研究工作。

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