壩基覆蓋層非穩(wěn)定滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析

陳 微

(方正縣雙鳳水庫(kù)綜合服務(wù)中心，黑龍江 方正 150800)

1 概 述

深厚覆蓋層是一種地質(zhì)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)條件差的地基，對(duì)大壩的滲流起著至關(guān)重要的作用。文章將連續(xù)介質(zhì)滲流應(yīng)力耦合開(kāi)發(fā)程序應(yīng)用到實(shí)際工程中，將研究對(duì)象看做連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合研究，進(jìn)行3種工況下的計(jì)算，并對(duì)3種工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析。結(jié)論表明在實(shí)際工程中考慮滲流應(yīng)力耦合必要性和合理性。

深厚覆蓋層地質(zhì)條件復(fù)雜，受力條件差，其帶來(lái)的繞壩滲漏、滲透穩(wěn)定、沉陷及不均勻沉陷等問(wèn)題對(duì)大壩的安全穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用[1]。壩基深厚覆蓋層的滲透和力學(xué)性質(zhì)很大程度上決定壩體的穩(wěn)定安全，在大壩蓄水期，因庫(kù)水位變化帶來(lái)的水荷載及大壩自重，壩基覆蓋層及壩體材料的物理性質(zhì)不斷改變，這些因素都將對(duì)大壩安全造成一定威脅，因此正確合理地分析壩基滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布，對(duì)大壩的安全運(yùn)行具有重要意義。

2 連續(xù)介質(zhì)非穩(wěn)定滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合原理

二維連續(xù)介質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)影響下非穩(wěn)定滲流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型[2]為：

(1)

式中：h=h(x,y,z)為水頭函數(shù)；k(σMij)=k(x,y,z)為各向滲透系數(shù)。

應(yīng)力場(chǎng)函數(shù)數(shù)學(xué)模型為：

(2)

式中：Ω為滲流面下壩基區(qū)域；f1(x，y，z)為Γ1上水頭分布；f2(x，y，z)為Γ2上流量分布。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某工程位于甘肅省文縣境內(nèi)，工程效益以發(fā)電為主，兼具生態(tài)灌溉功能。樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、引水洞、溢洪洞及發(fā)電廠(chǎng)房等組成，工程規(guī)模為二等大(2)型，大壩正常蓄水位為809m，最大壩高113m，壩頂寬12m，壩頂長(zhǎng)度為352m，電站總裝機(jī)容量240MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量9.84億kW·h，水庫(kù)正常蓄水位庫(kù)容3.15億m3[3]。面板為不等厚，厚度t=0.5+0.003H，覆蓋層中的混凝土防滲墻與面板相連。

3.2 計(jì)算模型及參數(shù)

因繞壩滲漏小于壩基滲漏量，故不考慮該部分滲流。壩基覆蓋層分3層：上部含碎石砂礫石層厚32m，中部砂卵礫石層厚18m，底部砂礫石層厚14m。計(jì)算時(shí)外部荷載為水荷載、滲透水壓力荷載，壩體、覆蓋層和基巖自重。計(jì)算模型單元?jiǎng)澐植捎冒私Y(jié)點(diǎn)正六面體等參單元，共剖分1934節(jié)點(diǎn)，872個(gè)單元[4]。模型橫斷面示意圖，見(jiàn)圖1；有限元網(wǎng)格剖分圖，見(jiàn)圖2。壩體及壩基物理力學(xué)參數(shù)[5]，見(jiàn)表1。

圖1 模型橫斷面示意圖

圖2 有限元網(wǎng)格剖分圖

表1 壩體及壩基物理力學(xué)參數(shù)

3.3 邊界條件

覆蓋層基巖非穩(wěn)定滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)邊界條件定義為下：

1)滲流場(chǎng)邊界條件：水頭邊界：H|ABB′A′=800m；H|CDD′C′=700m。流量邊界：Q|AEE′A′=Q|EFF′E′=Q|EFF′D′=0。

2)應(yīng)力場(chǎng)邊界條件：y向位移v|AEE′A′=v|DFF′D′=0；z向位移w|EFF′E′=0。

基于連續(xù)介質(zhì)模型自主編制開(kāi)發(fā)三維有限元耦合程序，并對(duì)該大壩的典型斷面進(jìn)行3種工況計(jì)算。壩基覆蓋層非穩(wěn)定滲流應(yīng)力場(chǎng)耦合工況分析表，見(jiàn)表2。

表2 壩基覆蓋層非穩(wěn)定滲流應(yīng)力場(chǎng)耦合工況分析表

3.4 計(jì)算結(jié)果

在考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合與否條件下壩基覆蓋層水頭及應(yīng)力分布圖，見(jiàn)圖3-9。

圖3 不考慮耦合的壩基水頭分布(水位下降10d)

圖4 考慮耦合的壩基水頭分布(水位下降10d)

圖5 不考慮耦合的σz分布(水位下降10d)

圖6 考慮耦合的σz分布(水位下降10d)

圖7 不考慮耦合的壩基水頭分布(水位下降20d)

圖8 考慮耦合的壩基水頭分布(水位下降20d)

圖9 考慮耦合的σz分布(水位下降20d)

當(dāng)庫(kù)水位以0.5m/d的速率下降時(shí)，因覆蓋層滲透系數(shù)遠(yuǎn)>混凝土防滲墻，在混凝土防滲墻處壩基水頭下降很大，出現(xiàn)明顯的水力坡降，極大降低了壩基滲透壓力。庫(kù)水位下降20d時(shí)，不考慮耦合作用，混凝土防滲墻的滲流量為3.89×10-7m3/s，考慮耦合作用時(shí)為3.72×10-7m3/s，對(duì)比認(rèn)為耦合作用下更小，分析認(rèn)為考慮耦合作用時(shí)，因土體變形，孔隙體積和滲透性降低，壩基的上游水頭明顯增加；通過(guò)滲流應(yīng)力的耦合作用，使壩基的應(yīng)力分量也相應(yīng)增大。當(dāng)庫(kù)水位持續(xù)下降，壩基覆蓋層內(nèi)部水頭帶來(lái)滯后效應(yīng)，耦合時(shí)該效應(yīng)更顯著，所以實(shí)際工程中要避免庫(kù)水位的突升突降，使應(yīng)力值保持在一定范圍。

4 結(jié) 論

文章基于連續(xù)介質(zhì)非穩(wěn)定滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合原理，結(jié)合實(shí)際工程建立二維有限元模型，計(jì)算不同工況下壩基覆蓋層的總水頭和應(yīng)力應(yīng)變，成果表明考慮耦合作用時(shí)，因土受到水荷載作用，壩基覆蓋層各應(yīng)力分量都有所增大。庫(kù)水位下降速度不同時(shí)，各個(gè)時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)分布基本一致，表明壩基覆蓋層的水荷載不是應(yīng)力場(chǎng)分析的主要荷載。