歷從實(shí)，武穎利，皇甫澤華，張兆省，韓 艷

（1.河南省前坪水庫(kù)建設(shè)管理局，河南 鄭州450003；2.河南省水利第一工程局，河南 鄭州450000；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210098）

流固耦合作為自然界普遍存在的一種現(xiàn)象,其蘊(yùn)含著復(fù)雜的物理現(xiàn)象和深刻的數(shù)學(xué)原理［1］。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在很多領(lǐng)域?qū)α鞴恬詈蠑?shù)值模擬和算法進(jìn)行了探索研究,并取得了一定成果［2-6］。在水利工程領(lǐng)域,王曉玲等［7］對(duì)考慮流固耦合作用的拱壩抗滑穩(wěn)定可靠度進(jìn)行了研究；李冰冰等［8-9］對(duì)考慮流固耦合作用的尾礦壩、土石壩滲流穩(wěn)定進(jìn)行了研究；劉占濤等［10-11］對(duì)基于流固耦合作用的深厚覆蓋層和復(fù)雜壩基土石壩穩(wěn)定進(jìn)行了研究；陳文元等［12］對(duì)考慮流固耦合作用的壩體地震動(dòng)力特性進(jìn)行了研究；唐克東等［13］對(duì)不同開度弧形閘門流固耦合進(jìn)行了數(shù)值模擬,取得了一定的成果。砂礫石黏土心墻壩作為土石壩的一種,相關(guān)流固耦合模擬研究文獻(xiàn)記載不多。本研究針對(duì)前坪水庫(kù)工程砂礫石黏土心墻壩的特點(diǎn),結(jié)合地質(zhì)、設(shè)計(jì)和相關(guān)試驗(yàn)資料,采用南水雙屈服面本構(gòu)模型,結(jié)合三維流固耦合計(jì)算方法,模擬壩體的填筑過程、施工后至蓄水前、蓄水過程以及運(yùn)行期的壩體變形規(guī)律、應(yīng)力分布規(guī)律和工作性態(tài)。

1 前坪水庫(kù)工程壩體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

前坪水庫(kù)工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一。壩型為砂礫石黏土心墻壩,設(shè)計(jì)壩高90.3 m,壩頂長(zhǎng)810 m,壩頂寬10 m,上游坡比1∶2.0～1∶2.5,下游坡比1∶2.0。黏土心墻頂寬為4 m,上下游坡比均為1∶0.3,緊貼心墻外側(cè)為2 m寬粗砂反濾層,粗砂反濾層外側(cè)為2 m寬碎石反濾層,碎石反濾層外側(cè)為砂礫石壩殼料。右岸壩肩坡比為1∶0.75,左岸壩肩坡比為1∶1。

2 三維有限元模型及計(jì)算參數(shù)

采用基于ABAQUS有限元軟件二次開發(fā)工具UMAT數(shù)據(jù)接口編寫的南水雙屈服面本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,建立三維有限元模型。模型深度自建基面向下取80 m,兩側(cè)自壩底邊線向外延伸350 m作為截?cái)噙吔?。模型底部施加三向約束,四周施加法向約束。壩體三維有限元模型如圖1所示。模型共326 648個(gè)單元、345 836個(gè)節(jié)點(diǎn),單元類型為C3D8P,在反濾料-心墻、防滲墻-壩體間設(shè)立薄層單元替代接觸面單元。

計(jì)算模擬分79個(gè)計(jì)算步。第1步為地應(yīng)力平衡步,建立初始地應(yīng)力場(chǎng),消除覆蓋層初始沉降位移影響；第2～72步為土石壩施工填筑過程；第73～78步為土石壩蓄水至校核水位的過程；第79步模擬校核水位下持續(xù)運(yùn)行10 000 d,研究壩體的工后變形。采用流固耦合方法對(duì)填筑施工期、竣工60 d后、蓄水期及蓄水運(yùn)行20 a四種工況土石壩的受力變形特性進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 壩體三維有限元模型

南水雙屈服面模型兼顧了鄧肯模型和劍橋模型的優(yōu)點(diǎn),考慮了土體的剪脹特性,且對(duì)各類土體適應(yīng)性強(qiáng),砂礫石壩殼料、心墻料、高塑性黏土、砂礫石覆蓋層均采用南水雙屈服面彈塑性本構(gòu)模型［14］進(jìn)行計(jì)算,對(duì)于基巖、混凝土防滲墻、防滲帷幕采用線彈性模型進(jìn)行計(jì)算。

通過試驗(yàn)和地質(zhì)勘查資料獲取計(jì)算參數(shù),見表1。

表1 壩體各區(qū)域主要計(jì)算參數(shù)

3 壩體應(yīng)力變形計(jì)算分析

3.1 施工期壩體應(yīng)力變形特性

圖2為壩體0+280斷面施工期應(yīng)力應(yīng)變特性圖。

由圖2可知,施工期0+280斷面最大沉降量為118.8 cm,發(fā)生在約1/2壩高位置,最大水平位移為16.3 cm,發(fā)生在心墻與上游側(cè)反濾料交接面靠近壩頂附近,方向指向下游側(cè),最小水平位移為-17.3 cm,發(fā)生在最大水平位移的對(duì)稱位置,方向指向上游側(cè)。從大小主應(yīng)力分布規(guī)律來看,施工期壩體大小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力；大小主應(yīng)力在心墻與反濾層交界位置有明顯跌落,心墻內(nèi)部應(yīng)力拱比較明顯。施工期壩體整體應(yīng)力水平不高,僅在混凝土防滲墻與高塑性黏土交界位置附近因變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致應(yīng)力劣化而出現(xiàn)較高的應(yīng)力水平,壩體絕大部分位置應(yīng)力水平較低。

3.2 竣工后60 d壩體應(yīng)力變形特性

壩體0+280斷面竣工結(jié)束60 d的應(yīng)力變形特性為：壩體最大沉降量為123.1 cm,較施工期增大了4.3 cm,最大值發(fā)生的位置與施工期一致。最大水平位移為16.3 cm,最小水平位移為-17.4 cm,水平位移分布規(guī)律與施工期一致,最小水平位移略有減小?？⒐そY(jié)束60 d壩體大小主應(yīng)力分布規(guī)律與施工期基本一致,心墻內(nèi)部大小主應(yīng)力和應(yīng)力水平隨著孔壓的消散略有調(diào)整。

4.3 蓄水期壩體應(yīng)力變形特性計(jì)算分析

圖3為壩體0+280斷面蓄水期的應(yīng)力、變形特性圖。

由圖3可知,蓄水期0+280斷面最大沉降量為126.7 cm,較竣工期沉降量增大了3.6 cm,沉降分布規(guī)律與施工期基本一致。最大水平位移為34.6 cm,發(fā)生在上游壩體壩殼料上部區(qū)域,方向指向下游；最小水平位移發(fā)生在下游壩坡中上部位置,最小值為-6.0 cm,方向指向上游。蓄水期大小主應(yīng)力分布有所調(diào)整,心墻內(nèi)部大小主應(yīng)力變化比較明顯。蓄水期壩體應(yīng)力水平整體不高。蓄水期壩體滲流場(chǎng)分布合理,符合一般心墻壩的孔壓分布規(guī)律。

圖2 壩體0+280斷面施工期不考慮流固耦合作用下的應(yīng)力變形特性

圖3 壩體0+280斷面蓄水期應(yīng)力變形特性

3.4 滿蓄狀態(tài)運(yùn)行20 a壩體應(yīng)力變形特性

圖4 為壩體0+280斷面蓄水運(yùn)行20 a后的應(yīng)力應(yīng)變特性圖。

由圖4可知,壩體滿蓄狀態(tài)運(yùn)行20 a后0+280斷面壩體沉降量為128.9 cm,較蓄水期增大了2.2 cm,沉降分布規(guī)律基本不變。壩體應(yīng)力分布和應(yīng)力水平分布與蓄水期基本保持一致。

3.5 壩體耦合（蓄水）前后最大應(yīng)力變形特性對(duì)比

選取壩體典型斷面0+280、0+550、0+650,對(duì)不同工況計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,見表2。

壩體大部分沉降在施工期完成,施工期黏土心墻殘余超孔壓未完全消散,在竣工60 d后,壩體各典型斷面的最大沉降量均略有增大；蓄水后,受水荷載影響以及心墻內(nèi)部孔壓分布的調(diào)整,壩體最大沉降量繼續(xù)增大；在大壩完成蓄水,保持滿庫(kù)運(yùn)行20 a后,壩體最大沉降量較蓄水期有所增大,并趨于穩(wěn)定?？⒐て趬误w最大斷面位置水平位移基本保持上下游側(cè)對(duì)稱分布,其他斷面受地形和壩體不對(duì)稱的影響水平位移極值有一定差異；蓄水期受水荷載影響,蓄水對(duì)壩體水平變形比較敏感；滿庫(kù)運(yùn)行20 a后,壩體水平位移極值受壩體內(nèi)部孔壓調(diào)整影響有微小變化,極值為35.2 cm,整體規(guī)律與蓄水期保持一致。黏土心墻在竣工期和蓄水期的大小主應(yīng)力最大值受孔壓調(diào)整的影響逐漸減小,黏土心墻應(yīng)力水平最大值也表現(xiàn)為逐漸減小。

圖4 壩體0+280蓄水運(yùn)行20 a后的應(yīng)力變形特性

表2 壩體耦合（蓄水）前后最大應(yīng)力、變形比較

3.6 壩體施工期實(shí)際監(jiān)測(cè)最大沉降量與理論計(jì)算最大沉降量對(duì)比

壩體施工期埋設(shè)多種安全監(jiān)測(cè)儀器,施工期統(tǒng)計(jì)至2019年2月的沉降量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

由表3可知壩體施工期黏土心墻最大沉降率為1.35%,由表2可知理論計(jì)算的壩體施工期黏土心墻最大沉降率為1.25%,二者吻合較好。

4 結(jié) 論

通過對(duì)前坪水庫(kù)砂礫石黏土心墻壩采用三維流固耦合計(jì)算分析,得出如下結(jié)論：

（1)通過對(duì)比監(jiān)測(cè)資料和計(jì)算結(jié)果可知,壩體施工期實(shí)際監(jiān)測(cè)最大沉降率與理論計(jì)算沉降率比較吻合,施工期完成了大部分沉降。

（2)黏土心墻大小主應(yīng)力分布較為合理,不同時(shí)期心墻的應(yīng)力水平最大值均出現(xiàn)在高塑性黏土與混凝土防滲墻交界區(qū)域,心墻區(qū)域絕大部分應(yīng)力水平在0.6以下,表明黏土心墻有較高的強(qiáng)度安全儲(chǔ)備,心墻在不同時(shí)期不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

（3)從心墻水平位移分布規(guī)律來看,竣工期壩體最大最小水平位移分別為17.7 cm和-17.3 cm,水平位移基本沿壩軸線左右對(duì)稱；竣工60 d水平位移較竣工期略有變化,量值很??；蓄水期心墻最大、最小水平位移分別為34.6 cm和-7.4 cm,發(fā)生在心墻頂部,心墻表現(xiàn)為向下游側(cè)變形；滿蓄運(yùn)行20 a后,心墻水平位移的分布規(guī)律基本與蓄水期一致。

（4)采用流固耦合分析計(jì)算方法,通過考慮施工時(shí)間效應(yīng)、蓄水時(shí)間效應(yīng)以及運(yùn)行期長(zhǎng)期變形的模擬,分析了壩體在各個(gè)時(shí)期的變形特征和應(yīng)力分布,體現(xiàn)了心墻固結(jié)特性對(duì)壩體變形和應(yīng)力分布的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,工程建設(shè)管理部門在對(duì)壩頂?shù)缆?、防浪墻以及圍護(hù)欄施工時(shí),應(yīng)選擇合適的施工時(shí)期和分縫方式,以消除壩體工后變形對(duì)建筑物的影響。

表3 壩體施工期實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降量統(tǒng)計(jì)