混合壩刺墻部位滲流—應力耦合作用有限元分析

李 懷 超

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

1 背景介紹

土石與混凝土等剛性建筑物的連接處是混合壩最薄弱的一部分。由于受到混凝土結構的約束作用，土與混凝土結構接觸處的力學特性與料場土體的性質不同，該區域稱之為土與結構的接觸面。混凝土和土的材料性能(比如剛度)差別較大，這些差異在靜、動力的作用下會使二者具有不同的變形行為，在接觸面上的受力變形也會很復雜。

本文以出山店水庫擋水壩段的連接壩段進行分析，出山店混凝土壩段從樁號3+271開始，到右岸樁號3+700.57止，總長429.57 m(包括連接段)，從左岸至右岸分別為:連接壩段、溢流壩段、底孔壩段、電站壩段和右岸非溢流壩段。

2 三維有限元計算模型

本文所研究的連接壩段三維有限元模型采用四面體10節點單元劃分，劃分網格后，三維有限元共有網格單元32 570個，結點52 413個，其中在混凝土壩和粘土心墻接觸處的接觸目標元有797個、接觸面元654個。為了計算方便，壩軸線與Z軸重合，指向混凝土壩為Z軸正方向，指向粘土心墻為負方向；順河流垂直壩軸線的方向為X軸正向，模型計算分析時使用了三種材料：混凝土材料，心墻粘土材料，壩殼填土材料。圖1為大壩三維有限元網格剖分圖(混凝土刺墻和壩基巖石看作同一種材料)。

由于混凝土與粘土的接觸部位，兩種材料的差異性太大，所以在接觸部位設置了目標元Targe170和接觸元Conta174，目標元覆蓋在刺墻表面，接觸元在目標元和粘土心墻中間。

3 不同水位工況下計算結果分析

3.1 設計水位工況下計算結果分析

根據《河南省出山店水庫工程可行性研究報告》，建立模型時水庫上游設計水位95.78 m，壩底高程65.00 m，則壩殼填土底部初始孔隙壓力為301.64 MPa，上游設計水位線處的初始孔壓為0，從上到下隨水的深度呈線性增加；下游水位距壩底2.00 m，下游底部的初始孔壓力19.6 MPa。建模時壩底的花崗巖厚度取25 m，模型底部(y=-25處)、沿壩軸線兩端(z=0,z=-100處)、順河向兩端(x=80,x=-80)按作不透水邊界處理，在應力計算時，約束模型底部的全部位移，約束壩軸線兩端面(z=0,z=-100)的Z方向位移，約束順河向兩端面(x=80,x=-80)的X方向位移。

運用有限元方法，采用ANSYS軟件溫度場模塊，圍繞混凝土刺墻與粘土心墻連接段的滲流問題，進行滲流場的數值分析模擬，得到壩體內部滲流量、繞壩滲流、最大坡降，溢出點滲流速度等信息。在設計水位工況下，下游水位高程67.00 m，水位距壩底2.00 m，滲流結果如圖2所示。

在采用設計水位的工況時，上游水位高程95.78 m，壩底高程65.00 m，上游水頭30.78 m，這里假設混凝土和花崗巖石的滲流速度相同，采用同一種材料。模型單元總水頭云圖如圖2所示，從圖2中可以看出，壩殼填土部位滲透系數較大，總水頭改變量較小；粘土心墻部位滲透系數較小，水頭變化量較大，也就是說從上游滲透的水頭大部分消耗在心墻內部，而在壩殼處改變很小。當水在壩體模型內部發生滲流時，模型單元的水頭壓力也是逐漸減小的。

在滲流分析時，浸潤線(面)是一個很重要的參考指標，浸潤面是這樣的一個曲面：這個面上的單元水壓力為零，它是壩體內部滲水的自由水面。在這個平面上部的滲流為非飽和滲流，單元水壓力為負；在這個平面以下滲流為飽和滲流，單元水壓力為正。浸潤線(面)一直是重要的內容，它反映了飽和滲流和非飽和滲流的區域比例。在ANSYS結果分析的后處理模塊中，加入一條這樣的命令判斷語句，如果模型中土體單元的壓力水頭值為負，就把這個單元的壓力水頭賦值為零，如果這個土體單元的壓力水頭值為正，就保持不變。

此時模型的單元壓力水頭云圖如圖3所示。這里混凝土刺墻的滲透系數相較粘土心墻和壩殼填土很小，所以在壩體模型內部滲流零壓力面相較附近心墻土體有突變。在圖3中，灰色部分區域發生非飽和滲流，屬于非飽和區。在后處理時，加入下列命令語句，令土體單元水壓力不為零的賦值為零，即可得到浸潤面。當混合壩采用混凝土刺墻插入粘土心墻的連接方法時，在插入刺墻與粘土心墻的上游接觸面上，此時的水頭值等于上游庫水的總水頭值，并且接觸面上的靜水壓力基本保持不變，單元水頭壓力在上游接觸面幾乎沒有降低，幾乎所有滲水的靜水壓力的降落都發生在混凝土與心墻的橫向接觸面和下游粘土心墻內。

*DO,I,1,N_MAX！循環語句

N_TEMP(I)=TEMP(I)

N_PRE(I)=N_TEMP(I)-NY(I)!土體單元壓力水頭值

*if,N_PRE(I),ne,0,then!條件判斷語句開始

N_PRE(I)=0!把土體單元壓力水頭值賦值為零

*endif!結束條件判斷語句

DNSOL,I,TEMP,,N_PRE(I)

*ENDDO!結束循環語句

PLNSOL,TEMP

3.2 正常水位工況下計算結果分析

水庫上游正常水位88.00 m，壩基高程65.00 m，壩殼填土底部初始孔壓為225.40 MPa，模型花崗巖厚度取25 m，上游正常水位線處的初始孔壓力為0，并且從上到下隨水的深度呈線性增加；下游水位距壩底2.00 m，下游底部的初始孔壓力為19.6 MPa。模型底部(y=-25處)、沿壩軸線兩端(z=0,z=-100處)、順河向兩端(x=80,x=-80)按作不透水邊界處理。滲流結果見圖4,圖5。

表1 設計水位下計算結果匯總表

分項計算條件考慮耦合條件未考慮耦合條件最大滲透坡降粘土心墻0．84610．8319滲流量粘土心墻3．81×10-74．19×10-7壩殼填土4．24×10-75．83×10-7混凝土刺墻6．75×10-86．68×10-8最大滲流速度粘土心墻0．193×10-40．242×10-4壩殼填土0．02600．0217混凝土刺墻0．682×10-50．421×10-5

從表1可以看出，未考慮耦合作用時，計算得當不考慮應力場耦合時，模型整體滲流量為6.72×10-7m3/s，單寬流量為6.72×10-9m3/s/m，其中心墻滲流量為3.21×10-7m3/s。當考慮應力場耦合效應時，模型滲流量4.71×10-7m3/s，心墻滲流量3.29×10-7m3/s。

4 結語

對設計水位和正常水位兩種工況進行計算，可知隨著水庫水位的增加，負壓區的范圍變小，飽和區的孔隙水壓力變大；在刺墻與粘土心墻的上游接觸面上，單元的水壓力基本沒有變化，都是等于上游水頭，大部分的水頭都消失在橫向接觸面上，從整個粘土心墻的滲流矢量云圖可以看出，連接處確有繞壩滲流的現象發生，在平行壩軸線指向土壩的方向，滲流速度逐漸增大，并在橫向接觸面附近達到最大，并且最大的滲透坡降就發生在橫向接觸面附近。通過實例分析及有限元數值模擬與工程設計報告做對比，很好地論證了這種連接方式的可靠性與安全性。

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