(阜新蒙古族自治縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 阜新 123100)

滲流應(yīng)力耦合作用下重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析

曹娜

(阜新蒙古族自治縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 阜新 123100)

重力壩壩基巖體中包含軟弱結(jié)構(gòu)面和性質(zhì)復(fù)雜、方向各異的裂隙，在外力作用下易形成滑移通路，導(dǎo)致大壩穩(wěn)定性遭到破壞，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。本文以白石水庫(kù)重力壩溢流壩段為例，采用彈塑性有限元強(qiáng)度折減法，通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)滲流應(yīng)力耦合作用下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基壩體應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行研究，進(jìn)而分析滲流應(yīng)力耦合作用對(duì)重力壩深層抗滑穩(wěn)定的影響。研究表明：滲流應(yīng)力耦合場(chǎng)作用下重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于單一應(yīng)力場(chǎng)；滲流應(yīng)力耦合場(chǎng)作用下，白石水庫(kù)重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.4。研究成果可為重力壩深層抗滑穩(wěn)定數(shù)值模擬提供工程依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

重力壩；深層抗滑穩(wěn)定；分析

近年來(lái)，重力壩應(yīng)用越來(lái)越廣。因重力壩壩基巖體中包含軟弱結(jié)構(gòu)面和性質(zhì)復(fù)雜、方向各異的裂隙，在外力作用下易形成滑移通路[1]，導(dǎo)致大壩穩(wěn)定性遭到破壞，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。因此，重力壩安全穩(wěn)定性分析、研究尤為重要。本文以白石水庫(kù)重力壩溢流壩段為例，采用彈塑性有限元強(qiáng)度折減法，通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)滲流應(yīng)力耦合作用下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基壩體應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行研究，進(jìn)而分析滲流應(yīng)力耦合作用對(duì)重力壩深層抗滑穩(wěn)定的影響。

1 工程概況

白石水庫(kù)地處錦州、阜新、朝陽(yáng)三市中心地帶，控制流域面積18350km2，水庫(kù)大壩為混凝土重力壩，壩頂長(zhǎng)513.25m，壩高50.31m，總庫(kù)容18.21億m3。白石水庫(kù)是一座以供水、灌溉、防洪為主，兼顧養(yǎng)殖、發(fā)電、觀光旅游的大型水庫(kù)。

2 計(jì)算模型與參數(shù)

2.1 有限元基本方程

透水介質(zhì)中載荷由靜水壓力和滲透體積力表示，滲流場(chǎng)的分布與荷載的大小緊密相連。對(duì)于巖體，根據(jù)水力學(xué)理論，水力梯度與作用在介質(zhì)上的滲流體積力呈正比關(guān)系，滲流體積力轉(zhuǎn)化為結(jié)點(diǎn)荷載，可進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析。應(yīng)變的分布改變了滲流場(chǎng)中孔洞的分布，決定了滲流介質(zhì)的滲透系數(shù)大小。將滲流場(chǎng)下應(yīng)力場(chǎng)基本方程與應(yīng)力場(chǎng)下穩(wěn)定滲流場(chǎng)基本方程結(jié)合，根據(jù)初始條件和邊界條件進(jìn)行滲流應(yīng)力耦合場(chǎng)的計(jì)算：

(1)

(2)

2.2 模型參數(shù)

模型采用 PLANE55 單元，設(shè)定為平面單元，對(duì)二維平面熱傳導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算，非線性穩(wěn)態(tài)流動(dòng)通過(guò)多孔滲流介質(zhì)進(jìn)行模擬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的分析。滲流場(chǎng)的滲透系數(shù)由熱傳導(dǎo)系數(shù)表示，溫度表示滲流的水壓力。滲流場(chǎng)中質(zhì)量流率條件通過(guò)熱流動(dòng)條件施加，水壓力荷載通過(guò)溫度條件施加。選取溢流壩段進(jìn)行分析，壩高38.30m，壩基以壩踵為原點(diǎn)，豎直方向選取90m深，上、下游分別選取90m、130m長(zhǎng)壩基，壩踵點(diǎn)豎直向下1.2m、4m、6m 處存在泥巖軟弱夾層。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

模型中壩體為混凝土材料，對(duì)模型網(wǎng)格化，共劃分為83919個(gè)單元。模型下游水位為0m，下游壩基邊界和下游壩體邊界和施加水頭值為0；上游水位為38.30m，上游壩基邊界和上游壩體邊界水頭值為38.30m。對(duì)未施加水頭值和壩基底部的其余邊界，施加質(zhì)量流率值為0。重力壩部分位置材料屬性見(jiàn)表1。

設(shè)計(jì)導(dǎo)入期的目的，一是穩(wěn)定基線，二是洗脫藥物。14項(xiàng)研究中有6項(xiàng)（42.86%）設(shè)計(jì)了導(dǎo)入期，時(shí)長(zhǎng)1～4周。其中1周1項(xiàng)，2周2項(xiàng)，4周3項(xiàng)。隨訪目的為觀察腹痛的復(fù)發(fā)率。14項(xiàng)研究中10項(xiàng)設(shè)計(jì)了4周～6個(gè)月隨訪。其中，4周5項(xiàng)（35.71%），8周3項(xiàng)（21.43%），12周及6月各1項(xiàng)（各占7.14%）。

表1 重力壩部分位置材料屬性

3 滲流應(yīng)力耦合作用分析

3.1 揚(yáng)壓力和應(yīng)力場(chǎng)分析

將水頭值作用于應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算得到滲流系數(shù)，迭代計(jì)算出滲流應(yīng)力耦合作用下的水頭值，對(duì)壩底進(jìn)行路徑操作，將壩底各節(jié)點(diǎn)計(jì)算值映射到路徑上，應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響主要反映在水頭值計(jì)算結(jié)果，壩底各路徑點(diǎn)水頭值見(jiàn)表2?？梢钥闯?，壩底各路徑點(diǎn)上水頭值變化不大，表明應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響較小。

表2 重力壩壩底路徑點(diǎn)水頭值 單位： m

滲流應(yīng)力耦合計(jì)算收斂后，將滲流壓力施加到應(yīng)力場(chǎng)中，進(jìn)行滲流應(yīng)力耦合條件下應(yīng)力場(chǎng)的求解?？梢钥闯?，滲流應(yīng)力耦合條件下，壩趾和壩踵應(yīng)力與單一應(yīng)力場(chǎng)作用相比作用范圍更廣，數(shù)值變化較大，表明滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響較大。

3.2 水庫(kù)重力壩穩(wěn)定分析

采用強(qiáng)度折減法對(duì)白石水庫(kù)重力壩進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，在基底部邊界施加X(jué)和Y方向全位移約束，在壩基上下游邊界施加X(jué)方向位移約束。在上游水壓力荷載不變條件下，采用荷載步進(jìn)行強(qiáng)度折減，逐步折減計(jì)算軟弱夾層的內(nèi)摩擦角和黏聚力。對(duì)于重力壩深層抗滑穩(wěn)定有限元研究的失穩(wěn)判定依據(jù)主要包括關(guān)鍵點(diǎn)位移突變、壩基塑性區(qū)貫通以及有限元迭代不收斂、滑動(dòng)面上下層位移錯(cuò)動(dòng)以及累計(jì)迭代次數(shù)激增，對(duì)滲流應(yīng)力耦合場(chǎng)作用下的重力壩安全系數(shù)進(jìn)行分析。

a. 有限元迭代不收斂。將折減系數(shù)設(shè)計(jì)為5，共設(shè)置24個(gè)荷載步，經(jīng)計(jì)算，有限元迭代至第20荷載步時(shí)不收斂，19荷載步對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為3.80；采用剛體極限平衡雙斜面穩(wěn)定計(jì)算得到安全系數(shù)為3，有限元迭代不收斂對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)嚴(yán)重偏大，兩者相差較大，不予采用。

b. 壩基塑性區(qū)貫通。強(qiáng)度折減系數(shù)與壩基塑性區(qū)發(fā)展的關(guān)系如圖2所示，可以看出，Ks=1時(shí)壩基未進(jìn)行強(qiáng)度折減時(shí)，第一層軟弱夾層已與踵處塑性區(qū)相貫通。隨著Ks的繼續(xù)增加，壩踵塑性區(qū)范圍有所擴(kuò)展，但范圍較小。隨著折減系數(shù)的繼續(xù)增大，塑性區(qū)不斷發(fā)展，Ks=3.40時(shí)，形成滑移通路，壩趾處塑性區(qū)貫通。因此，判定相應(yīng)的安全系數(shù)為3.4。

圖2 等效塑性應(yīng)力

c. 關(guān)鍵點(diǎn)位移突變。分別選取三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，包括壩趾、壩踵以及壩頂，進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)位移突變分析，壩趾、壩踵以及壩頂?shù)乃椒较蛭灰茖?duì)折減系數(shù)的影響如圖 3 所示。分析可知，在折減系數(shù)Ks≥2.40時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)水平位移曲線產(chǎn)生拐點(diǎn)，斜率明顯增大。表明當(dāng)折減系數(shù)大于2.40時(shí)，壩趾、壩踵以及壩頂關(guān)鍵點(diǎn)的水平位移急劇變化，即該判定條件下對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為2.40。

圖3 關(guān)鍵點(diǎn)水平位移曲線

d. 滑動(dòng)面上下層位移錯(cuò)動(dòng)。該工程重力壩存在軟弱夾層，對(duì)第一層軟弱夾層上下位移的差值進(jìn)行分析，軟弱夾層上下位移差值曲線如圖4所示。分析可知，當(dāng)折減系數(shù)Ks≥2.40時(shí)，第一層軟弱夾層上下位移差值曲線斜率增大，出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，表明當(dāng)折減系數(shù)大于2.40時(shí)，重力壩產(chǎn)生深層滑動(dòng)，第一層軟弱夾層發(fā)生上下錯(cuò)動(dòng)。因此，重力壩深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.40。

e. 累計(jì)迭代次數(shù)激增。對(duì)不同折減系數(shù)下ANSYS迭代次數(shù)進(jìn)行紀(jì)錄，得到累計(jì)迭代次數(shù)曲線，如圖5所示。分析可知，當(dāng)折減系數(shù)Ks≥2.40時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，迭代次數(shù)急劇增加，累計(jì)迭代次數(shù)曲線斜率明顯增大。

圖5 累計(jì)迭代次數(shù)曲線

綜上所述，在滲流應(yīng)力耦合場(chǎng)作用下，推斷白石水庫(kù)重力壩溢流壩段的深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.40。在不同判斷依據(jù)條件下，對(duì)滲流應(yīng)力耦合作用重力壩安全系數(shù)進(jìn)行匯總，見(jiàn)表3。

表3 重力壩安全系數(shù)分析

4 結(jié) 論

本文以白石水庫(kù)重力壩溢流壩段為例，采用彈塑性有限元強(qiáng)度折減法，通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)滲流應(yīng)力耦合作用下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基壩體應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行研究，進(jìn)而分析滲流應(yīng)力耦合作用對(duì)重力壩深層抗滑穩(wěn)定的影響，得出以下結(jié)論：

a. 應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響較小，壩底各路徑點(diǎn)上水頭值變化不大；滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響較大，滲流應(yīng)力耦合條件下，壩趾和壩踵應(yīng)力與單一應(yīng)力場(chǎng)作用相比作用范圍更廣，數(shù)值變化較大。

b. 在滲流應(yīng)力耦合場(chǎng)作用下，有限元迭代不收斂、壩基塑性區(qū)貫通、關(guān)鍵點(diǎn)位移突變、滑動(dòng)面上下層位移錯(cuò)動(dòng)以及累計(jì)迭代次數(shù)激增判斷依據(jù)條件下，白石水庫(kù)重力壩溢流壩段的深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為3.8°、3.4°、2.4°、2.4°、2.4°。

c. 滲流應(yīng)力耦合場(chǎng)作用下重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于單一應(yīng)力場(chǎng)；滲流應(yīng)力耦合場(chǎng)作用下，白石水庫(kù)重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.40。

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AnalysisonDeepAnti-SlidingStabilityofGravityDamunderSeepageStressCouplingEffect

CAO Na

(FuxinCountyLinghePretectionZoneAdministration,Fuxin123100,China)

Gravity dam foundation rock mass contains weak structural plane and cracks with complicated properties and different directions. Glide paths can be easily formed under the effect of external force, thereby damaging dam stability and seriously threatening people's life and property safety. In the paper, gravity dam overflow dam section of Baishi Reservoir is adopted as an example, elastic-plastic finite element strength reduction method is adopted, ANSYS finite element software is applied for studying the anti-sliding safety coefficient dam foundation and dam stress strain under seepage stress coupling effect, thereby analyzing the influence of seepage stress coupling effect on gravity dam deep anti-sliding stability. The study shows that the gravity dam anti-sliding stability safety coefficient under seepage stress coupling field effect is smaller than single stress field. The anti-sliding stability safety coefficient of Baishi Reservoir gravity dam is 2.4 under the seepage stress coupling effect. The research result can provide engineering basis for gravity deep anti-sliding stability numberical stimulation with important realistic significance.

gravity dam; deep anti-sliding stability; analysis

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.08.010

TV642.3

：A

：1673-8241(2017)08-0037-05