舒海輝,黃毛毛

(1.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團有限公司，江西 南昌 330029；2.金華市水利水電勘測設(shè)計院有限公司，浙江 金華 321017)

滲流作為影響水工建筑安全穩(wěn)定的重要因素，一直是科研人員關(guān)注的熱點。劉永濤[1]等基于EEMD-RVM土石壩滲流量時間序列預(yù)測模型，分析得到滲流量預(yù)測值。劉千惠[2]結(jié)合剪切滲透系數(shù)模型，利用GOODMAN單元反映不同部件之間的接觸關(guān)系，建立多體—多場耦合分析方法，揭示了接觸面剪切—滲流過程中滲透特性的變化機理。戴前偉[3]利用電流場電勢微分控制方程與滲流場流速勢微分控制方程相似性原理，運用流場法檢測電流場的分布來確定滲流場，迅速查明堤壩管涌滲漏入口。辛長紅[4]基于非飽和滲流分析理論，采用非線性有限元數(shù)值分析方法，通過對裂隙巖體吸濕曲線敏感性分析，研究非飽和滲流過程中谷幅變形規(guī)律。唐少龍[5]針對滲透系數(shù)多目標(biāo)反演問題，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，形成GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)滲透系數(shù)反演模型。盧文頔[6]基于水體質(zhì)量守恒方程及V-G模型，采用DVI方法對含夾層邊坡進行非飽和滲流模擬。何佳楠[7]考慮壩基裂隙巖體各向異性，采用等效連續(xù)介質(zhì)模型進行滲流分析，運用有限元滑面應(yīng)力積分法分析重力壩深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。侯曉萍[8]基于空氣單元法，分析滲流場的逸出邊界，加入接觸面薄層單元的改進方法，計算精度進一步提高。張卉芬[9]根據(jù)蒙特—卡羅法分析不同降雨條件下邊坡的滲流特性及可靠性。李輝[10]運用COMSOL Multiphysics建立分析模型，研究了土石壩不同水位下的滲透特性。倪小東[11]采用有限差分法(FLAC)分析滲流場，采用離散單元法(PFC)進行滲透變形關(guān)鍵區(qū)力學(xué)分析，建立堤防離散—連續(xù)耦合模型，對堤防滲透變形問題進行分析。針對斜墻壩滲流問題，本文考慮滲流—應(yīng)力耦合作用，基于滲流—應(yīng)力耦合計算原理，應(yīng)用有限元法(FEM)對其進行分析，同時應(yīng)用強度折減法計算斜墻壩的穩(wěn)定性，以期對斜墻壩滲流及穩(wěn)定分析問題提供一定的參考。

1 計算原理

1.1 滲流—應(yīng)力耦合計算原理

巖體內(nèi)總應(yīng)力包括有效應(yīng)力及孔隙水壓力，有效應(yīng)力由總應(yīng)力與孔隙水壓力之差表示。

(1)

通過平衡微分方程、幾何方程，推求得到土體力學(xué)微分方程為

(2)

式中，G—介質(zhì)的剪切變形模量，Pa；ui—位移分量，m；λ—拉姆常數(shù)；Fi—體力分量，N。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，推得土體滲流微分方程為

(3)

式中，εv—體積應(yīng)變。

基于土體力學(xué)微分方程及滲流微分方程，加上初始條件及邊界條件，通過耦合計算分析得出滲流場和應(yīng)力場。

應(yīng)用有限元理論，分析得到滲流應(yīng)力耦合有限元控制方程組為

(4)

1.2 強度折減法原理

(5)

式中，c—粘聚力，Pa；φ—內(nèi)摩擦角，(°)。

2 工程實例分析

2.1 工程實例概況

石里水庫大壩壩高10.50m，壩頂長235.0m，壩頂寬4.0m。壩體采用粘土斜墻結(jié)合壩基截水槽進行防滲處理，墻頂高9.0m，墻頂寬度3.5m，墻底伸入基巖以下1.0m。本文中水位以正常蓄水位進行分析計算，正常蓄水位距壩底8.13m。壩體材料參數(shù)見表1，大壩斷面模型如圖1所示，大壩斷面有限元網(wǎng)格如圖2所示：

表1 主要材料參數(shù)

圖1 大壩斷面模型

圖2 大壩斷面有限元網(wǎng)格

2.2 滲流—應(yīng)力耦合計算分析

為方便計算，約束上下游地基邊界水平向移動及地基底部豎向移動，地基表面為透水邊界，壩體下游邊界不承受水壓。上游壩面及地基承受正常蓄水位水荷載。

分析得到大壩的浸潤線如圖3所示，在斜墻的作用下，壩體內(nèi)的孔隙水壓力降低且作用范圍主要集中在上游，有效地保護了壩體免受滲流引起的破壞，說明斜墻及截水槽起到了應(yīng)有的效果。

圖3 壩體浸潤線示意圖

在不考慮滲流應(yīng)力耦合作用時，計算得到壩體最大豎向位移為17.26cm，最大主應(yīng)力47.25kPa，豎向最大應(yīng)力13.12kPa。考慮耦合效應(yīng)時，分析得到壩體最大豎向位移為18.30cm，最大主應(yīng)力55.19kPa，豎向最大應(yīng)力13.85kPa。在計算滲流—應(yīng)力耦合作用后，壩體應(yīng)力及豎向位移均有所增大，主要原因為滲透荷載的豎向分力作用，使得土體產(chǎn)生向下的位移及應(yīng)力。壩體豎向位移對比如圖4所示。

圖4 壩體豎向位移對比圖

2.3 斜墻壩穩(wěn)定計算分析

采用折減系數(shù)法計算安全系數(shù)時，初步以0.1為間距增加安全系數(shù)進行計算，大致確定安全系數(shù)范圍，然后以0.01為間隔繼續(xù)調(diào)整折減系數(shù)，最后得到大壩的最小安全系數(shù)。

本文選取上游壩坡頂點為特征點，分析其豎向位移變化，計算結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，在不考慮滲流應(yīng)力耦合作用時，位移突變發(fā)生在折減系數(shù)為1.9時，即分析得到大壩安全系數(shù)為1.9；加入滲流應(yīng)力耦合效應(yīng)后，特征點位移突變發(fā)生于折減系數(shù)為1.84時，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.84。在考慮滲流—應(yīng)力耦合作用后，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)有所降低，主要是因為滲透水流起到一定的潤滑作用，減小了土體介質(zhì)間的摩擦力，改變了土體結(jié)構(gòu)；另外滲流荷載的作用，降低了斜墻壩的抗滑穩(wěn)定性。因此在進行斜墻壩穩(wěn)定分析時，考慮滲流應(yīng)力耦合作用更貼于實際，考慮耦合效應(yīng)有利于壩體的穩(wěn)定。

3 結(jié)語

本文基于滲流—應(yīng)力耦合原理及強度折減法原理，運用有限元法分析了流固耦合作用對斜墻壩位移應(yīng)力及安全系數(shù)的影響。結(jié)果表明滲流應(yīng)力耦合效應(yīng)使得壩體應(yīng)力及豎向位移均有所增大，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)有所降低，主要原因為滲透荷載作用，使得土體結(jié)構(gòu)改變并導(dǎo)致壩體抗滑穩(wěn)定性減小。在實際工程設(shè)計施工中不應(yīng)忽視流固耦合作用的不利影響。

對于斜墻壩的安全穩(wěn)定分析，本文分析結(jié)果有一定的現(xiàn)實意義，但計算模型中對地基及壩體結(jié)構(gòu)簡單化處理，與工程實際仍有偏差，需要進一步細化模型以使計算結(jié)果更加精確。