不同初始條件下均質(zhì)壩滲流-變形耦合特性分析

摘要：均質(zhì)土壩作為擋水建筑物而言，穩(wěn)定條件下的滲流場(chǎng)、應(yīng)力變形場(chǎng)對(duì)于壩體的安全評(píng)價(jià)極其重要。通過給理想均質(zhì)壩壩身填土設(shè)置不同滲透系數(shù)初始值，模擬計(jì)算了不同滲透系數(shù)初始值條件下壩體穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的滲流和應(yīng)力變形。對(duì)比分析了竣工期與穩(wěn)定期壩體應(yīng)力變形場(chǎng)的區(qū)別。結(jié)果表明：由于穩(wěn)定期水庫蓄水產(chǎn)生水壓力、揚(yáng)壓力作用，蓄水后壩體偏向下游側(cè)水平位移最大值較竣工期增大，豎向沉降量較竣工期減小。

關(guān)鍵詞：理想均質(zhì)壩; 滲流-變形耦合特性; AutoBANK;" 滲透系數(shù); 滲流場(chǎng); 應(yīng)力變形場(chǎng)

中圖法分類號(hào)：TV223.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.004

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）S1 - 0009 - 04

0 引 言

一般情況下，水庫蓄水時(shí)，壩體通常同時(shí)承受滲流和應(yīng)力變形作用。首先，壩體承受自重產(chǎn)生變形致使壩料孔隙率發(fā)生變化、滲透性發(fā)生改變，進(jìn)而整個(gè)壩體滲流場(chǎng)發(fā)生變化。滲流場(chǎng)的變化會(huì)改變壩體的受力變形，這種相互作用和影響的特性即滲流-變形耦合作用[1-2]。壩體的滲流-變形耦合作用是影響土石壩安全的重要因素[3-5]，一直以來，尋找與工程實(shí)際相符的滲流-變形耦合分析方法都是土石壩研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。

國內(nèi)外大多針對(duì)土體的物理組成及自身狀態(tài)對(duì)土石壩壩料滲透性的影響進(jìn)行研究，研究對(duì)象包括顆粒大小、級(jí)配、密度以及孔隙比等[6-8]。而實(shí)際工程中，壩料處于復(fù)雜的滲流-變形耦合作用中，近年來相關(guān)方面的各種試驗(yàn)研究逐步開展。苗賀朝[9]提出濕陷性黃土在飽和濕陷變形達(dá)到穩(wěn)定后，如果遭遇一定水頭的長期滲透作用，土體會(huì)產(chǎn)生滲透剪切變形。詹美禮等[10]對(duì)長河壩進(jìn)行分析，考慮多種應(yīng)力下的耦合作用，對(duì)土體進(jìn)行了滲透特性試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：圍壓相同的情況下，當(dāng)偏應(yīng)力和軸向應(yīng)力增大時(shí)，土體滲透系數(shù)逐漸減小。雷紅軍[1]通過自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置探索大剪切變形條件下黏性土滲透性的變化規(guī)律，得出黏性土滲透性變化的制約因素主要是孔隙比和結(jié)構(gòu)的變化。呂高峰等[11]運(yùn)用滲流-變形耦合理論，建立了心墻壩有限元計(jì)算網(wǎng)格，以土體孔隙比變化帶動(dòng)滲透系數(shù)變化為基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)滲流場(chǎng)的改變是由于滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用，且應(yīng)力場(chǎng)也隨之改變。劉洋等[12]采用雙重介質(zhì)下的滲流應(yīng)力耦合模型，模擬水庫庫水位的漲落及降雨對(duì)邊坡的破壞過程，分別研究了應(yīng)力場(chǎng)變化對(duì)滲流場(chǎng)及裂隙滲流場(chǎng)的影響。曹彭強(qiáng)等[13]通過對(duì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行三軸滲透實(shí)驗(yàn)，得出不同干密度、有效應(yīng)力水平下，該土體的飽和密度隨著應(yīng)力的增大而增大，故而滲透系數(shù)隨之減小。

綜上可知，在土石壩滲流、穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算時(shí)，若不考慮其滲流-變形耦合作用，則不能真實(shí)客觀地反映出工程實(shí)際，使計(jì)算結(jié)果存在誤差，不能正確有效判斷大壩運(yùn)行狀態(tài)，存在潛在工程危險(xiǎn)性。而關(guān)于土石壩的滲流-變形耦合作用，以往研究中沒有考慮滲流條件變化的影響。本文結(jié)合水工有限元計(jì)算軟件AutoBANK、鄧肯-張E-B模型，針對(duì)土石壩中的均質(zhì)壩，探究賦予其不同滲透系數(shù)初始值，壩體穩(wěn)定滲流-變形耦合時(shí)的滲流場(chǎng)及應(yīng)力變形場(chǎng)變化規(guī)律。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

本文采用理想均質(zhì)壩計(jì)算模型（圖1）。該理想均質(zhì)壩壩高100 m，壩頂寬度為15 m，上、下游壩坡坡度分別為1∶2.8和1∶2.5，上、下游最高水位分別為90 ，20 m。假設(shè)整個(gè)壩體分為20層均勻填筑，每層填筑高度為5 m，計(jì)算模型共劃分為400個(gè)計(jì)算網(wǎng)格和441個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。進(jìn)行滲流分析時(shí)，假設(shè)該均質(zhì)壩為不透水地基進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用鄧肯-張E-B模型，計(jì)算參數(shù)見表1[15]。

為研究不同初始條件下均質(zhì)壩的滲流-變形耦合特性，分別假設(shè)壩身填土初始滲透系數(shù)為1×10^-5，5×10^-6，1×10^-6，5×10^-7，1×10^-7 cm/s，共5個(gè)對(duì)照組，進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)下的有限元計(jì)算，且假定在整個(gè)滲流計(jì)算過程中，各組滲透系數(shù)初始值保持不變。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 滲流結(jié)果

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果可知，不同滲透系數(shù)下的理想均質(zhì)壩穩(wěn)定滲流狀態(tài)時(shí)的壓強(qiáng)水頭、總水頭及浸潤線的分布均相同，如圖2，3所示。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，壓強(qiáng)水頭分布均勻且最大壓強(qiáng)水頭為90 m，分布在上游壩趾處;0 m的壓強(qiáng)水頭分布位置即浸潤線的位置所在（圖2）。由圖3可知，總水頭最大值為90 m，分布在大壩上游壩面至上游水位90 m處;最小值為20 m，緊沿大壩下游壩趾分布至下游水位20 m處。

而根據(jù)各對(duì)照組所得滲流計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：不同滲透系數(shù)壩身材料計(jì)算所得的單寬滲流量q與滲流流速v的大小不同。以壩身填土滲透系數(shù)為1×10^-5 cm/s的均質(zhì)壩為例，從圖4可知，滲流流速變化最劇烈、分布最密集的區(qū)域在浸潤線上游進(jìn)口端和下游出口端，此處也正是飽和容重與濕容重分布的臨界位置，故流速分布復(fù)雜且變化劇烈。從流速分布可清楚地觀察到（圖5）：浸潤線上游進(jìn)水端及下游出逸端的流速分布較為復(fù)雜，該狀態(tài)下的最大流速v_max出現(xiàn)在下游出逸點(diǎn)，v_max=5.8×10^-8" m/s，最小流速v_min出現(xiàn)在上游底端，v_min=6.2×10^-12" m/s。

2.2 應(yīng)力變形結(jié)果

假設(shè)該均質(zhì)壩填筑過程中不蓄水，即竣工期上游水庫未蓄水。根據(jù)有限元軟件AotuBANK計(jì)算，可以得到5個(gè)對(duì)照組竣工期及穩(wěn)定狀態(tài)下的應(yīng)力變形結(jié)果，且各組所得竣工期與穩(wěn)定狀態(tài)條件下的計(jì)算結(jié)果均相同，將兩種工況下的壩體變形及應(yīng)力變化進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖6，7可觀察2種工況下位移變形情況?？⒐て?，該均質(zhì)壩僅在壩體巨大的自重及土體顆粒間的作用下發(fā)生變形。由圖6（a）可知，竣工期壩體水平位移最大值主要分布在靠近上、下游壩坡的中部，偏向上游水平位移最大值約0.3 m，偏向下游位移最大值約為0.4 m。這是由于上、下游壩坡的坡率不同造成偏向上、下游水平位移最大值不同。穩(wěn)定狀態(tài)條件下，由于上游水庫蓄水，大壩上游面承受水荷載，呈三角形垂直分布在大壩上游面。從水平位移分布，圖6（b）可知，該均質(zhì)壩偏向下游側(cè)水平位移最大值較竣工期增大，為0.6 m左右;而偏向上游側(cè)水平位移最大值則較竣工期有所減小，減至0.1 m左右。

從圖7可觀察壩體豎向位移變化?？⒐て?，大壩因自重產(chǎn)生沉降，最大值分布在壩體中部偏上，約為0.7 m。穩(wěn)定狀態(tài)下，水庫蓄水產(chǎn)生揚(yáng)壓力作用，壩體的自重荷載由原來的濕容重計(jì)，變成3個(gè)不同區(qū)域分別計(jì)算（圖8）。因此，較竣工期大壩土體荷載變小，豎向位移最大值隨之減小0.3 m。同時(shí)，豎向位移最大值分布也相對(duì)偏向壩底下移。因此，為了維持壩體穩(wěn)定，減少對(duì)壩體應(yīng)力的不利影響，工程中常采取布置防滲和排水的措施。

從兩種工況應(yīng)力分布（圖9，10）可以看出，竣工期，大、小主應(yīng)力的分布都較為均勻，且最大值都分布在壩底中部，分別為1.6，0.8 MPa。穩(wěn)定狀態(tài)條件下，由于滲流場(chǎng)的耦合疊加，即揚(yáng)壓力作用，使應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，大主應(yīng)力最大值減小為1.0 MPa，小主應(yīng)力最大值減小為0.55 MPa。

由水平應(yīng)力分布（圖11）可觀察到：竣工期，高應(yīng)力水平區(qū)域主要分布在壩體中上部接近壩頂處，表明竣工期該區(qū)域易出現(xiàn)剪切破壞。而穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，上游側(cè)小主應(yīng)力的變化使高應(yīng)力水平分布區(qū)域由竣工期時(shí)的大壩中上部，轉(zhuǎn)而分布在整個(gè)壩體中部，且分布區(qū)域明顯變大。

3 結(jié) 論

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件AutoBANK及鄧肯-張E-B模型，分別對(duì)理想均質(zhì)壩進(jìn)行了滲流及滲流-變形耦合分析，主要得出以下結(jié)論。

（1） 穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，壩身填土為不同滲透系數(shù)初始值的均質(zhì)壩，壓強(qiáng)水頭、總水頭、浸潤線分布均相同，但滲透系數(shù)初始值的不同使單寬流量不同，進(jìn)而使流速大小及流速矢量分布不一致。

（2） 將各滲透系數(shù)初始值所對(duì)應(yīng)的均質(zhì)壩滲流場(chǎng)疊加到相應(yīng)的應(yīng)力變形場(chǎng)，得到滲流-變形耦合結(jié)果：① 竣工時(shí)，水平位移偏向上游最大值與偏向下游最大值相差不多，分別分布在壩體上下游側(cè)、壩高一半處，豎向沉降量最大值分布在壩體中上部，大、小主應(yīng)力的最大值均分布在大壩底部中間區(qū)域，高應(yīng)力水平區(qū)域則分布在壩體中部接近壩頂?shù)膮^(qū)域。② 穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，不論壩身填土滲透系數(shù)初始值為多少，理想均質(zhì)壩滲流-變形耦合結(jié)果均一致。在水壓力、揚(yáng)壓力作用下，相對(duì)竣工期，穩(wěn)定狀態(tài)偏向上游側(cè)水平位移最大值減小，偏向下游側(cè)水平位移最大值增大，而豎向位移最大值減小，大、小主應(yīng)力最大值均減小，且高應(yīng)力水平分布區(qū)域的位置及大小均發(fā)生改變。

因此，工程中若不考慮壩體的滲流-變形耦合特性，計(jì)算得到的壩體穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)會(huì)與實(shí)際工程不符，導(dǎo)致對(duì)工程安全措施作出錯(cuò)誤的判斷和布置，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。若工程模擬計(jì)算中考慮滲流-變形耦合特性，根據(jù)滲流及變形計(jì)算結(jié)果，采取合理的工程措施，如控制壩料填筑和蓄水速度，設(shè)置嚴(yán)密的排水、反濾措施等，降低土體流固耦合效應(yīng)對(duì)壩體安全帶來的不利影響，進(jìn)一步提高大壩運(yùn)行的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 雷紅軍.高土石壩粘性土大剪切變形條件下滲透特性研究[D].北京：清華大學(xué)，2010.

[2] 張丙印，付建，李全明.散粒體材料間接觸面力學(xué)特性的單剪試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2004，25（10）：1522-1526.

[3] 姚福海，楊興國.瀑布溝礫石土心墻堆石壩關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社， 2015.

[4] CHILDS E C， COLLIS-GEORGE. The permeability of porous materials[C]// Proceedings of the Royal Society of London. Mathematical and Physical Sciences. London：Royal Society of London， 1950： 392-405.

[5] SCHEIDEGGER A E. The physics of flow through porous media[J]. Soil Science， 1958，86（6）： 355-346.

[6] 崔榮方，陳建生，許霆. 無粘性土粒徑特征對(duì)其滲透性的影響[J]. 山西建筑，2006，32（6）： 97-98.

[7] 羅林峰. 無粘性粗顆粒土的滲透性研究[J]. 云南水力發(fā)電， 2008，24（1）： 22-24.

[8] 朱崇輝， 劉俊民. 無粘性粗粒土的滲透試驗(yàn)研究[J]. 人民長江， 2005， 36（11）：53-55.

[9] 苗賀朝.濕陷性黃土的增濕濕陷及滲透變形特性試驗(yàn)研究[M].西安：西安理工大學(xué)， 2018.

[10] 詹美禮，辛圓心，唐健，等.礫石心墻土復(fù)雜應(yīng)力耦合作用下的滲流特性[J].水利水電科技進(jìn)展，2016，36（4）：36-41.

[11] 呂高峰，張奕澤.深覆蓋層上某心墻壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析[J].大壩與安全， 2015（4）：52-56，61.

[12] 劉洋，李世海，劉曉宇.基于連續(xù)介質(zhì)離散元的雙重介質(zhì)滲流應(yīng)力耦合模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（5）：951-959.

[13] 曹彭強(qiáng)，虞邦義，余金煌，等，應(yīng)力影響下粉質(zhì)黏土的等效滲透系數(shù)計(jì)算[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（增1）：3656-3662.

[14] 徐楊洋. 土石壩施工應(yīng)力與沉降分析[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2016.

（編輯：李 慧）