裂隙巖體非穩定滲流場與應力場耦合分析研究

潘廣良

(方正縣河湖運行保障中心，黑龍江 方正 150800)

1 緒 論

深厚覆蓋層地質條件復雜，滲透性大，對大壩的安全穩定運行造成一定影響，在設計階段需著重考慮防滲體系的構建。當大壩完建蓄水時，壩體因自重和不斷增加的水荷載，壩基覆蓋層和大壩填筑料的滲透性出現變化，都將給大壩安全運行帶來很多隱患。同時，巖體滲流很大程度上取決于裂隙結構面，幾何參數改變巖體滲透性，所以正確合理地分析裂隙巖體的滲流場和應力場的分布就顯得極其重要。

2 裂隙巖體等效連續介質滲透原理

裂隙巖體通常采用滲透張量體現滲透各向異性，二維等效連續介質滲透系數張量為[1]：

(1)

式中：bi、ci為第i組裂隙張開度和間距；μ為水的動力黏滯系數。

2.1 滲流場對應力場的影響

該影響作用通過水荷載逐步施加完成的，水壓力包括滲透靜水壓力和滲透動水壓力。滲透靜水壓力p表達式為：

p=γ(H-y)

(2)

(3)

式中：fx、fy為滲透動水壓力分量。

2.2 應力場對滲流場的影響

該影響通過裂隙寬度改變達成巖體滲透系數的變化[2]，裂隙巖體受正、剪應力作用示意圖，見圖1。可得裂隙面上承受的正應力σn為：

σn=σ1cos2β+σ3sin2β

(4)

正應力作用后的裂隙隙寬變量△b表達式為：

(5)

式中：Kn0為初始法向剛度；b0為初始隙寬；bm為機械隙寬。

故裂隙最終隙寬為：

b=b0+△b

(5)

圖1 裂隙巖體受正、剪應力作用示意圖

3 工程算例

3.1 工程概況

某面板堆石壩壩高60.0m，上、下游水位分別為55m和5m。通過實測滲流資料得知繞壩滲流較小，故不考慮壩體滲流。計算時壩體主要荷載為上下游水荷載、滲透水壓力荷載、壩體自重[3]。有限元模型邊界定義：上游沿壩踵、下游沿壩趾各50m，覆蓋層取80m。壩基巖體裂隙面包括豎直1組，水平1組，裂隙隙寬1.0mm，間距為1.0m，初始法向剛度Kn0=1.572×104MPa/m[4]，故可知滲流場初始滲透系數張量為：

(6)

壩體及基巖示意圖，見圖2；有限元網格剖分圖，見圖3。模型共剖分187個單元，116個結點。

圖2 壩體及基巖示意圖

圖3 有限元網格剖分圖

壩體及基巖力學參數統計表，見表1。

表1 壩體及基巖力學參數統計表

1)滲流場邊界條件：水頭邊界：H|AB=55m；H|CD=5m；流量邊界：QAE=QEF=QDF=0。

2)應力場邊界條件：x向位移v|AE=v|DF=0；y向位移w|EF=0，貯存系數為Ss=6.8×10-5。

3.2 計算結果

當上游庫水位以1m/d的速率下降，下游水位保持不變，此時壩體及壩基的滲流場與應力場耦合分布結果。初始時刻不計耦合的壩基水頭等值線圖，見圖4；初始時刻考慮耦合的壩基水頭等值線，見圖5；不計耦合的壩基應力場σx等值線圖，見圖6；考慮耦合的壩基應力場σx等值線圖，見圖7；不計耦合應力場τxy等值線圖，見圖8；考慮耦合的應力場τxy等值線，見圖9。

圖4 初始時刻不計耦合的壩基水頭等值線圖

圖5 初始時刻考慮耦合的壩基水頭等值線

圖6 不計耦合的壩基應力場σx等值線圖

圖7 考慮耦合的壩基應力場σx等值線圖

圖8 不計耦合應力場τxy等值線圖

圖9 考慮耦合的應力場τxy等值線圖

1)滲流場計算結果分析：從初始時刻的計算結果來看，考慮耦合與否的滲流場結果相差較大。當考慮兩場耦合時，壩基巖體裂隙不斷相互擠壓，造成裂隙寬度變小，此時滲流量降低。同時因滲透壓力增大，裂隙寬度變小量上游大于下游，在壩基巖體中會出現水頭滯后效應，水位下降時間越久，滯后效應越顯著。

2)應力場結算結果分析：從應力場計算結果來看，考慮耦合與否的應力場各分量變化趨勢基本相似，分析是受滲透靜、動水壓力影響，各應力分量σx、σy、τxy均不同程度增加，大壩及壩基穩定更加貼合實際，故考慮巖體裂隙滲流場和應力場的耦合作用是非常有必要的。

4 結 論

文章在裂隙巖體二維滲流場與應力場作用機理的理論基礎上，結合工程建立二維有限元模型，分析非穩定滲流場作用下的應力場變化，應力場帶來的壩基水頭變化，比較耦合與否的計算結果，認為在本身穩定的壩基當邊界條件變化時，仍有可能還不穩定，造成壩基失穩，所以在實際工程中要考慮滲流和應力的耦合作用。