韓長(zhǎng)勝

(天津市寧河區(qū)水務(wù)局，天津 301500)

0 引 言

過去受認(rèn)識(shí)與技術(shù)手段的限制，在進(jìn)行土石壩設(shè)計(jì)時(shí)通常將滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分開進(jìn)行考慮，這種計(jì)算方法與壩體實(shí)際受力與穩(wěn)定條件實(shí)際相差較大。通過近年來土石壩失穩(wěn)破壞的案例[1-3]，發(fā)現(xiàn)破壞的主要原因是未考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合效應(yīng)，因此在計(jì)算土石壩穩(wěn)定性時(shí)考慮流固耦合是非常有必要的。

隨著技術(shù)進(jìn)步，在進(jìn)行土石壩穩(wěn)定性分析時(shí)開始逐步考慮流固耦合效應(yīng)的影響。吳永康等[4]對(duì)施工和蓄水兩個(gè)工況下流固耦合作用對(duì)高土石壩靜動(dòng)力穩(wěn)定性的影響，為更加合理和準(zhǔn)確地描述動(dòng)荷載作用下土石壩殘余變形及孔壓演化規(guī)律提供支撐。倪梅三等[5]采用Geostudio中的SEEP/W和SIGMA/W模塊，基于比奧固結(jié)原理對(duì)某土石壩典型斷面進(jìn)行考慮流固耦合的穩(wěn)定性計(jì)算，給出了土石壩位移隨時(shí)間變化波動(dòng)的原因。王嘉貴等[6]以瀑布溝為例定量研究了流固耦合對(duì)含深厚覆蓋層高土石壩的覆蓋層壩基和壩體穩(wěn)定性影響，通過與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，考慮流固耦合計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更加接近。本文通過對(duì)不同庫(kù)水位下含軟弱壩基的土石壩進(jìn)行數(shù)值模擬，分析流固耦合作用對(duì)壩體穩(wěn)定安全系數(shù)、最大沉降量以及最大拉應(yīng)力的影響，

1 計(jì)算模型與參數(shù)

本文計(jì)算采用FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Contiua)有限差分軟件。FLAC3D是由美國(guó)Itasca集團(tuán)公司開發(fā)的一款專業(yè)巖土工程分析計(jì)算機(jī)軟件，其基本原理即是采用拉格朗日差分法來分析有限變形問題。

根據(jù)地質(zhì)資料，庫(kù)區(qū)地層主要有寒武系下統(tǒng)滄浪鋪組下段砂泥巖、二疊系下統(tǒng)茅口組白云質(zhì)灰?guī)r、第四系覆蓋層。結(jié)合剖面圖，計(jì)算模型見圖1，主要包括壩體、沖洪積層、滄浪鋪組砂巖和茅口組灰?guī)r，其中組1為土石壩壩體、組2為沖洪積層、組3為強(qiáng)風(fēng)化砂巖、組4為弱風(fēng)化砂巖、組5為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r。庫(kù)區(qū)有一斷層貫穿，但近現(xiàn)代以來已無構(gòu)造活動(dòng)跡象且斷層破碎帶擠壓緊密、普遍膠結(jié)，因此計(jì)算中將其并入強(qiáng)風(fēng)化砂巖。計(jì)算模型長(zhǎng)度為100 m，寬度為40 m，高度為40 m(其中壩體10 m)，坐標(biāo)選取如圖，約束條件為左右兩側(cè)水平X方向位移約束，Y方向位移全約束，底面Z向位移約束，頂部為自由邊界。計(jì)算采用Mohr-Coulomb模型，計(jì)算參數(shù)見表1。計(jì)算水位有4個(gè)，分別是汛限水位3.5 m、正常蓄水位6 m、設(shè)計(jì)洪水位6.8 m和校核洪水位7.5 m，分別計(jì)算了不同工況下未考慮流固耦合作用和考慮流固耦合作用的應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)和滲流場(chǎng)，并基于強(qiáng)度折減法分析其穩(wěn)定安全系數(shù)。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Calculation Model

巖性重度/kN·(m3)-1C//kPaφ/(°)滲透系數(shù)/cm·s-1孔隙比壩體1 85028165.1×10-50.78沖洪積層1 9002217.58.7×10-40.53強(qiáng)風(fēng)化砂巖2 000120262.6×10-70.39弱風(fēng)化砂巖2 100140334.4×10-90.32強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r2 200300385.6×10-90.39

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 安全系數(shù)

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算考慮流固耦合和未考慮流固耦合的含軟弱壩基的土石壩安全系數(shù)見圖2。由圖2可知，隨庫(kù)水位上升，考慮和未考慮流固耦合作用壩體安全系數(shù)均先增大后減小，庫(kù)水位約為正常蓄水位時(shí)其安全系數(shù)最大；不同庫(kù)水位下，考慮流固耦合作用壩體的安全系數(shù)均小于未考慮流固耦合壩體安全系數(shù)，且水位越高，兩者間差值越大。隨水位增長(zhǎng)，未考慮流固耦合作用壩體比考慮流固耦合作用安全系數(shù)分別增大2.9%、5.5%、8.0%和12.8%。這主要是由于水位越高，壩體浸潤(rùn)線越高，滲流作用影響區(qū)域越大，其安全系數(shù)相差越大；對(duì)未考慮流固耦合作用壩體，水位越高，其穩(wěn)定性越差，這也是為什么過去土石壩常在水位較高時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

圖2 安全系數(shù)與水位關(guān)系曲線Fig.2 relation curve between safety factor and water level

2.2 最大沉降量

圖3為不同庫(kù)水位下考慮流固耦合與未考慮流固耦合作用土石壩的最大沉降量，由圖3可知，隨庫(kù)水位升高，考慮流固耦合與未考慮流固耦合作用土石壩最大沉降量均增大，這主要是由于土石壩土體在水的作用出現(xiàn)軟化，更容易發(fā)生變形。不同水位條件下，考慮流固耦合作用比未考慮流固耦合作用土石壩沉降量大，這是由于未考慮流固耦合作用時(shí)，只考慮了土顆粒位置調(diào)整而產(chǎn)生的變形，未考慮滲透力和土顆粒自身變形的影響。

圖3 最大沉降量與水位關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between maximum subsidence and water level

2.3 最大拉應(yīng)力

土石壩蓄水后會(huì)在迎水坡坡腳處產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的出現(xiàn)是壩體破壞的關(guān)鍵性因素之一，圖4為不同庫(kù)水位下土石壩最大拉應(yīng)力與水位關(guān)系曲線。由圖4可知，隨水位上升，土石壩的最大拉應(yīng)力逐漸增大，這是由于水位升高，壩體受到的水平荷載越大，壩體繞背水坡轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)越明顯，在迎水坡坡腳產(chǎn)生拉應(yīng)力越大。不同水位條件下，考慮流固耦合作用壩體最大拉應(yīng)力比未考慮流固耦合作用時(shí)大，這是由于滲流作用而產(chǎn)生的滲透力可分解為豎直向下的力和水平向右的力，其中水平向右的力是增大壩體最大拉應(yīng)力的關(guān)鍵因素。

圖4 最大拉應(yīng)力與水位關(guān)系曲線Fig.4 relation curve between maximum tensile stress and water level

3 結(jié) 論

采用FLAC3D軟件建立復(fù)雜壩基土石壩有限差分模型，并分別在不同工況下計(jì)算了考慮流固耦合與未考慮流固耦合時(shí)壩體的安全系數(shù)、最大沉降量和最大拉應(yīng)力，主要結(jié)論如下：

1) 不同水位條件下，考慮流固耦合作用壩體安全系數(shù)比未考慮流固耦合作用小，且水位越高，兩者間差值逐漸增大。

2) 隨庫(kù)水位上升，考慮和未考慮流固耦合作用壩體安全系數(shù)均先增大后減小，庫(kù)水位約為正常蓄水位時(shí)其安全系數(shù)最大。

3) 不同水位條件下，考慮流固耦合作用壩體最大沉降量和最大拉應(yīng)力均比未考慮流固耦合作用大，計(jì)算時(shí)不考慮流固耦合作用的影響是偏于不安全的。

4) 隨庫(kù)水位上升，考慮和未考慮流固耦合作用的復(fù)雜壩基土石壩最大沉降量與最大拉應(yīng)力均增大。