土石壩黏土心墻防滲方式的有限元分析

王 鵬 趙東領(lǐng)

(1.平頂山市郟縣水利局汝河管理所，河南 平頂山 467100； 2.開封縣水利局柳園口灌區(qū)管理處，河南 開封 475100)

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·水利工程·

土石壩黏土心墻防滲方式的有限元分析

王 鵬1趙東領(lǐng)2

(1.平頂山市郟縣水利局汝河管理所，河南 平頂山 467100； 2.開封縣水利局柳園口灌區(qū)管理處，河南 開封 475100)

采用大型通用有限元計(jì)算軟件，依據(jù)巖土工程中常用的應(yīng)力應(yīng)變材料本構(gòu)模型和滲流計(jì)算方法對黏土心墻防滲方案進(jìn)行了計(jì)算，主要分析了大壩在竣工期和穩(wěn)定滲流期能否安全運(yùn)行、心墻防滲的作用以及心墻發(fā)生水力劈裂的可能性，為檢驗(yàn)土石壩黏土心墻防滲設(shè)計(jì)方案的合理性提供了參考。

土石壩，黏土心墻，應(yīng)力應(yīng)變，水力劈裂

土石壩是一種非常古老且應(yīng)用廣泛的壩型。由于土石壩由散粒材料構(gòu)成，在運(yùn)行管理中，滲流成為主要的問題。在具體工程中，土石壩有多種防滲材料，比如黏土、瀝青混凝土、混凝土以及土工膜等等。本文采用數(shù)值模擬思路對黏土心墻防滲進(jìn)行計(jì)算和分析。數(shù)值模擬采用的是有限元方法，該方法適應(yīng)性強(qiáng)，可以模擬多種復(fù)雜的巖土和地質(zhì)問題，提高了解決工程實(shí)際問題的能力和效率。滲流采用流固耦合方法，該方法是將土體內(nèi)的孔隙水壓力與固體材料進(jìn)行協(xié)同計(jì)算，較大程度地反映了滲流真實(shí)情況。本文依據(jù)這兩種巖土工程中常用的應(yīng)力應(yīng)變材料本構(gòu)模型和滲流計(jì)算方法對黏土心墻防滲方案進(jìn)行計(jì)算，主要分析大壩在竣工期和穩(wěn)定滲流期能否安全運(yùn)行、心墻防滲的作用，以及心墻發(fā)生水力劈裂的可能性。

1 基本原理

2 數(shù)值算例

某黏土心墻土石壩壩高118 m，頂寬9 m，校核洪水位為112.5 m。壩坡上游1∶2、下游1∶1.5。大壩的斷面示意圖如圖1所示。壩體各分區(qū)的滲透系數(shù)分別為：壩體材料：3.9×10-6m/s，心墻材料：1.4×10-8m/s，反濾料材料：2×10-6m/s。筑壩材料的Duncan-Chang模型參數(shù)見表1。有限元數(shù)值模擬方案主要思路為：依據(jù)土石壩實(shí)際施工時(shí)分層施工的特點(diǎn)，有限元模型也采用分層加荷的形式。分層加荷完畢，計(jì)算竣工期的應(yīng)力應(yīng)變情況。然后在大壩填筑完成的前提下，施加水荷載，模擬蓄水的情況。有限元模型的單元形式在計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變時(shí)采用平面應(yīng)變的單元，計(jì)算滲流時(shí)，再加一個(gè)孔隙水壓力的自由度，以更準(zhǔn)確地反映滲流情況。

表1 應(yīng)力應(yīng)變材料本構(gòu)模型相關(guān)參數(shù)

3 計(jì)算成果與分析

針對黏土心墻防滲方案，主要討論計(jì)算結(jié)果中壩體堆石料和黏土心墻的應(yīng)力情況，以及心墻是否會發(fā)生水力劈裂破壞。計(jì)算結(jié)果見表2。黏土心墻防滲方案穩(wěn)定滲流期孔隙水壓力如圖2所示。大壩穩(wěn)定滲流期的滲流量為4.21×10-6m3/(s·m)，穩(wěn)定滲流期孔隙水壓力等值線圖如圖2所示。根據(jù)分析結(jié)果得出，大壩在竣工期和穩(wěn)定滲流期的變形、應(yīng)力和滲流量均在允許范圍以內(nèi)，不會發(fā)生破壞。

表2 黏土心墻防滲方案大壩變形和應(yīng)力極值

水力劈裂是由于水壓力的抬高在巖體或土體中引起裂縫發(fā)生與擴(kuò)展的一種物理現(xiàn)象。水力劈裂是高壓水流或其他液體將巖體內(nèi)已有的裂紋、孔隙驅(qū)動(dòng)擴(kuò)張、擴(kuò)展、相互貫通等物理現(xiàn)象的統(tǒng)稱。水力劈裂的裂縫一般是水平向的，它們通常發(fā)生在壩頂附近，且多在相對較小的水頭作用下產(chǎn)生。水力劈裂一旦發(fā)生，則心墻會在強(qiáng)大水壓力的作用下不斷地把心墻劈開，從而貫通心墻，引起集中滲流，導(dǎo)致嚴(yán)重事故的產(chǎn)生。本文從計(jì)算結(jié)果中提取出心墻上游表面不同高程處的豎向應(yīng)力和水產(chǎn)生的壓力，并且予以比較，對比情況如圖3所示。從對比情況得出，心墻在不同的高程處，豎向應(yīng)力總是大于水壓力，因此心墻是安全的，不會發(fā)生水力劈裂。

4 結(jié)語

本文采用大型通用有限元計(jì)算軟件，主要分析大壩在竣工期和穩(wěn)定滲流期能否安全運(yùn)行、心墻防滲的作用以及心墻發(fā)生水力劈裂的可能性。本文依據(jù)巖土工程中常用的應(yīng)力應(yīng)變材料本構(gòu)模型和滲流計(jì)算方法對黏土心墻防滲方案進(jìn)行了計(jì)算。通過對數(shù)值算例的計(jì)算和分析，得出該工程采用黏土心墻防滲能夠明顯降低浸潤線、減小滲流量，心墻不會發(fā)生水力劈裂破壞，可以滿足安全運(yùn)行要求。本文為檢驗(yàn)土石壩黏土心墻防滲設(shè)計(jì)方案的合理性提供了參考和借鑒。

[1]代凌輝，張 玓，楊衛(wèi)元.土石壩滲流的流固耦合方法計(jì)算分析.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，25(2):10-11,16. 侯景梅，代凌輝.土石壩土工膜防滲方案的計(jì)算分析.河南水利與南水北調(diào)，2014(10):33-34.

[2]殷宗澤.土工原理.北京:中國水利水電出版社，2007.

[3]Duncan J. M.Strength stress-strain and bulk modulus parameters of Finite Element Analysis of stresses and movements in soil masses.Report No.VCB/GT/78-02. Univ. of California Berkeley,1978.

[4]金 生，耿艷芬，王志力.利用飽和—非飽和滲流模型計(jì)算壩體自由面滲流.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,44(1):110-113.

Finite element analysis of seepage resisting method of earth-rock clay core dam

Wang Peng1Zhao Dongling2

(1.PingdingshanJiaCountyHydraulicBureauRuRiverAdministrationDepartment,Pingdingshan467100,China;2.KaifengCountyHydraulicBureauLiuyuanIrrigationAdministrationDepartment,Kaifeng475100,China)

Adapting large-scale finite element computation software, according to common stress strain material structure model and seepaging computation method, the paper calculates the earth-rock clay core dam seepage resisting scheme, mainly analyzes the dam safety operation, core wall seepage resisting functions and core wall hydraulic fracturing possibility during the dam completion period and stable seepage period, which has provided some guidance for testing the rationality of earth-rock clay core dam seepage resisting design scheme.

earth-rock dam, clay core dam, tress strain, hydraulic fracturing

1009-6825(2015)01-0224-02

2014-10-27

王 鵬(1982- )，男，助理工程師； 趙東領(lǐng)(1982- )，男，助理工程師

TV641

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