考慮流固耦合的復雜壩基土石壩穩定性分析

韓長勝

(天津市寧河區水務局，天津 301500)

0 引 言

過去受認識與技術手段的限制，在進行土石壩設計時通常將滲流場與應力場分開進行考慮，這種計算方法與壩體實際受力與穩定條件實際相差較大。通過近年來土石壩失穩破壞的案例[1-3]，發現破壞的主要原因是未考慮滲流場與應力場的耦合效應，因此在計算土石壩穩定性時考慮流固耦合是非常有必要的。

隨著技術進步，在進行土石壩穩定性分析時開始逐步考慮流固耦合效應的影響。吳永康等[4]對施工和蓄水兩個工況下流固耦合作用對高土石壩靜動力穩定性的影響，為更加合理和準確地描述動荷載作用下土石壩殘余變形及孔壓演化規律提供支撐。倪梅三等[5]采用Geostudio中的SEEP/W和SIGMA/W模塊，基于比奧固結原理對某土石壩典型斷面進行考慮流固耦合的穩定性計算，給出了土石壩位移隨時間變化波動的原因。王嘉貴等[6]以瀑布溝為例定量研究了流固耦合對含深厚覆蓋層高土石壩的覆蓋層壩基和壩體穩定性影響，通過與實際監測數據對比，考慮流固耦合計算結果與實際情況更加接近。本文通過對不同庫水位下含軟弱壩基的土石壩進行數值模擬，分析流固耦合作用對壩體穩定安全系數、最大沉降量以及最大拉應力的影響，

1 計算模型與參數

本文計算采用FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Contiua)有限差分軟件。FLAC3D是由美國Itasca集團公司開發的一款專業巖土工程分析計算機軟件，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。

根據地質資料，庫區地層主要有寒武系下統滄浪鋪組下段砂泥巖、二疊系下統茅口組白云質灰巖、第四系覆蓋層。結合剖面圖，計算模型見圖1，主要包括壩體、沖洪積層、滄浪鋪組砂巖和茅口組灰巖，其中組1為土石壩壩體、組2為沖洪積層、組3為強風化砂巖、組4為弱風化砂巖、組5為強風化灰巖。庫區有一斷層貫穿，但近現代以來已無構造活動跡象且斷層破碎帶擠壓緊密、普遍膠結，因此計算中將其并入強風化砂巖。計算模型長度為100 m，寬度為40 m，高度為40 m(其中壩體10 m)，坐標選取如圖，約束條件為左右兩側水平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。計算采用Mohr-Coulomb模型，計算參數見表1。計算水位有4個，分別是汛限水位3.5 m、正常蓄水位6 m、設計洪水位6.8 m和校核洪水位7.5 m，分別計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力場、變形場和滲流場，并基于強度折減法分析其穩定安全系數。

圖1 計算模型Fig.1 Calculation Model

巖性重度/kN·(m3)-1C//kPaφ/(°)滲透系數/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強風化砂巖2 000120262.6×10-70.39弱風化砂巖2 100140334.4×10-90.32強風化灰巖2 200300385.6×10-90.39

2 計算結果與分析

2.1 安全系數

采用強度折減法計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見圖2。由圖2可知，隨庫水位上升，考慮和未考慮流固耦合作用壩體安全系數均先增大后減小，庫水位約為正常蓄水位時其安全系數最大；不同庫水位下，考慮流固耦合作用壩體的安全系數均小于未考慮流固耦合壩體安全系數，且水位越高，兩者間差值越大。隨水位增長，未考慮流固耦合作用壩體比考慮流固耦合作用安全系數分別增大2.9%、5.5%、8.0%和12.8%。這主要是由于水位越高，壩體浸潤線越高，滲流作用影響區域越大，其安全系數相差越大；對未考慮流固耦合作用壩體，水位越高，其穩定性越差，這也是為什么過去土石壩常在水位較高時出現失穩破壞。

圖2 安全系數與水位關系曲線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軟化，更容易發生變形。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，只考慮了土顆粒位置調整而產生的變形，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系曲線Fig.3 Relationship between maximum subsidence and water level

2.3 最大拉應力

土石壩蓄水后會在迎水坡坡腳處產生拉應力，拉應力的出現是壩體破壞的關鍵性因素之一，圖4為不同庫水位下土石壩最大拉應力與水位關系曲線。由圖4可知，隨水位上升，土石壩的最大拉應力逐漸增大，這是由于水位升高，壩體受到的水平荷載越大，壩體繞背水坡轉動趨勢越明顯，在迎水坡坡腳產生拉應力越大。不同水位條件下，考慮流固耦合作用壩體最大拉應力比未考慮流固耦合作用時大，這是由于滲流作用而產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力的關鍵因素。

圖4 最大拉應力與水位關系曲線Fig.4 relation curve between maximum tensile stress and water level

3 結 論

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

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) 隨庫水位上升，考慮和未考慮流固耦合作用壩體安全系數均先增大后減小，庫水位約為正常蓄水位時其安全系數最大。

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力均比未考慮流固耦合作用大，計算時不考慮流固耦合作用的影響是偏于不安全的。

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