李有臣，董憲偉，蔡嗣經(jīng)

(1．北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2. 本溪鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 遼寧 本溪 117000)

引言

攔水壩壩址區(qū)的地形條件、水文地質(zhì)條件一般較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為覆蓋層較厚且分層較多。為了提高壩體的安全性和穩(wěn)定性，在攔水壩建設(shè)之前，首先要對(duì)整個(gè)壩區(qū)的水滲流情況有較全面地了解。根據(jù)壩區(qū)的工程地質(zhì)和水文資料，將各地層的滲透特性進(jìn)行有效地模擬，分析壩體內(nèi)部滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的相互影響和相互作用，為改善壩體弱應(yīng)力區(qū)和選擇心墻提供依據(jù)。

1 攔水壩及壩區(qū)水文、工程地質(zhì)概況

本鋼南芬攔水壩為土石壩，壩高32 m，頂寬6 m，邊坡比1︰2，最高洪水位28 m，壩體內(nèi)擬設(shè)心墻或其它防滲措施。壩址區(qū)為山間U型河谷，原有一小溪流通過(guò)，小溪枯水期流量為10 m3/s，洪水期大于500 m3/s。兩側(cè)山體坡度20°～ 30°，植被發(fā)育。兩側(cè)山體為花崗巖，風(fēng)化層厚度小于5 m。右壩肩為塊石混雜砂壤土：松散，塊石堅(jiān)固，一般粒徑200～500 mm，最大1 500 mm，無(wú)磨圓，無(wú)分選；河谷區(qū)為漂石-卵石混雜砂礫土：松散，塊石堅(jiān)固有磨圓，無(wú)分選，一般粒徑200～50 mm，最大1 500 mm，厚度約15 m；左壩肩為塊石充填黃色粘土，無(wú)架空現(xiàn)象，塊石成分、組分同右壩肩。兩側(cè)壩肩在勘探深度內(nèi)(孔深最大15 m)未見(jiàn)穩(wěn)定地下水水位[1]。攔水壩縱剖面如圖1所示。

圖1 攔水壩心墻示意圖

土石壩壩體內(nèi)部的受力是由內(nèi)部的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)相互影響、相互作用的結(jié)果。一方面，滲流場(chǎng)的改變引起滲流體積力和滲透壓力的改變，使壩體作用的外荷載發(fā)生變化，從而改變了壩體應(yīng)力場(chǎng)的分布；另一方面，應(yīng)力場(chǎng)的改變引起體積應(yīng)變的改變，使壩體各部位的孔隙率發(fā)生變化，滲透系數(shù)隨之變化，從而也改變了壩體滲流場(chǎng)的分布。滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相互作用、相互影響會(huì)使雙場(chǎng)耦合達(dá)到某一平衡狀態(tài)，分別形成滲流場(chǎng)影響下的穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)影響下的穩(wěn)定滲流場(chǎng)[2-4]。目前對(duì)流固耦合問(wèn)題的研究主要基于有限元方法。并且大多集中在裂隙巖體滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析上，實(shí)際水利工程中，碾壓混凝土壩、土石壩等壩體滲流與應(yīng)力也存在著較強(qiáng)的耦合作用[5-8]。

2 工程分析

2.1 加載及邊界條件

1)土壩中設(shè)計(jì)心墻的滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于周圍土體的滲透系數(shù)，認(rèn)為是不透水材料；

2)水載荷作為靜止載荷適用于攔水壩體，最高水位為28 m；

3)計(jì)算時(shí)重點(diǎn)考慮最高水位的載荷；

4)壩體底部側(cè)邊界為零流量邊界，且在計(jì)算過(guò)程中水位邊界條件不變。

2.2 計(jì)算模型

采用工程分析軟件FLAC3D建立分析模型，以壩體平行軸線方向?yàn)閅軸，垂直地表方向?yàn)閆軸，水平方向?yàn)閄軸，建立三維有限差分析模型，如圖2所示。

圖2 攔水壩心墻三維模型

在計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)該工程的地質(zhì)勘察報(bào)告、水文資料，計(jì)算力學(xué)參數(shù)取值如下：體積模量為30 MPa，剪切模量為10 MPa，重力方向?yàn)榇怪毕蛳拢笮?0 m/s2，流體的密度為1 000 kg/m3，滲透系數(shù)(各向同性滲透模型)為10-10m2/Pa-sec，孔隙率默認(rèn)為0.5，流體抗拉強(qiáng)度為-1010MPa。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)壩體應(yīng)力分析。

圖3～圖6分別是壩體水位上升前后的大小主應(yīng)力等值線圖。水位高度的變化引起壩體大小主應(yīng)力的分布情況發(fā)生了改變。應(yīng)力分布主要特點(diǎn)是：起初應(yīng)力分布沿壩軸線近似成對(duì)稱分布，但是隨著水位的變化，在壩體內(nèi)部防滲心墻的作用下，壩體應(yīng)力將進(jìn)行二次調(diào)整；防滲心墻內(nèi)部的大小主應(yīng)力基本不變，而防滲墻附近，即防滲墻帶和壩體連接處大小主應(yīng)力變化較大，最大值達(dá)521 kPa。應(yīng)力變化的原因是由于水位上升導(dǎo)致壩體砂石料產(chǎn)生濕陷固結(jié)的結(jié)果。

圖3 初始最大主應(yīng)力云圖

圖4 初始最小主應(yīng)力云圖

圖5 最高水位的最大主應(yīng)力云圖

圖6 最高水位的最小主應(yīng)力云圖

2)壩體位移云圖分析。

圖7～圖10分別為初始應(yīng)力、最高水位壩體垂直和水平位移等值線云圖。圖7和圖9分別表示初始應(yīng)力和最高水位的壩體垂直位移等值線云圖；圖8和圖10分別表示初始應(yīng)力和最高水位的壩體水平位移等值線云圖。經(jīng)過(guò)分析可以看到，最大豎向位移和最大橫向位移均有所減小，有利于壩體的穩(wěn)定。

圖7 初始應(yīng)力的z向位移云圖

圖8 初始應(yīng)力的x向位移云圖

圖9 最高水位的z向位移云圖

圖10 最高水位的x向位移云圖

3)壩體滲透孔隙水壓力分析

圖11、12分別為初始應(yīng)力的孔壓云圖和最高水位壩體的滲透孔隙水壓力云圖。比較分析可知，在攔水壩體設(shè)置防滲心墻，可有效改善壩體的孔隙水壓力分布，達(dá)到壩體防滲加固的要求。

圖11 初始應(yīng)力的孔壓云圖

圖12 最高水位的孔隙水壓力云圖

3 結(jié)論

1)心墻壩體在水載荷為零時(shí)，壩體的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力近似對(duì)稱地分布在心墻兩側(cè)。水位上升到最高點(diǎn)時(shí)，壩體主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在左側(cè)壩基處，應(yīng)力水平等值線圖顯示了整個(gè)壩體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)[9]。

2)應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)心墻土壩滲流過(guò)程進(jìn)行分析，可以補(bǔ)充壩體弱應(yīng)力區(qū)，調(diào)整大小主應(yīng)力，改善壩體的穩(wěn)定性。

3)三維快速拉格朗日分析方法可以較好地模擬土體材料的彈塑性力學(xué)模型[10]，與其它數(shù)值方法相比，該方法較簡(jiǎn)單，考慮影響因素少，并且計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較接近。

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[2] 項(xiàng)顏勇. 裂隙巖體中非飽和滲流與運(yùn)移的概念模型及數(shù)值模擬[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2002,10(2)：204-209.

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[4] 陳平, 張有天．裂隙巖體滲流與應(yīng)力耦合分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 1994, 13(4)： 299-308．

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[8] 陳曉平,茜平一,梁志松．非均質(zhì)土壩穩(wěn)定性的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合分析[J]. 巖土力學(xué)，2004, 25(6)：860-864.

[9] 王祖強(qiáng),張貴金,王明. 用FLAC3D模擬流固耦合評(píng)價(jià)病險(xiǎn)土壩防滲加固效果[J]. 湖南水利水電, 2009(2)：41-43.

[10] 葛暢,張?jiān)释? 本鋼南芬攔水壩壩基滲透變形勘察-關(guān)于碎石類土的滲透變形試驗(yàn)[J]. 油氣田地面工程, 2003(12)：37.