不同初始條件下均質壩滲流-變形耦合特性分析

摘要：均質土壩作為擋水建筑物而言，穩定條件下的滲流場、應力變形場對于壩體的安全評價極其重要。通過給理想均質壩壩身填土設置不同滲透系數初始值，模擬計算了不同滲透系數初始值條件下壩體穩定狀態時的滲流和應力變形。對比分析了竣工期與穩定期壩體應力變形場的區別。結果表明：由于穩定期水庫蓄水產生水壓力、揚壓力作用，蓄水后壩體偏向下游側水平位移最大值較竣工期增大，豎向沉降量較竣工期減小。

關鍵詞：理想均質壩; 滲流-變形耦合特性; AutoBANK;" 滲透系數; 滲流場; 應力變形場

中圖法分類號：TV223.4 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.004

文章編號：1006 - 0081（2022）S1 - 0009 - 04

0 引 言

一般情況下，水庫蓄水時，壩體通常同時承受滲流和應力變形作用。首先，壩體承受自重產生變形致使壩料孔隙率發生變化、滲透性發生改變，進而整個壩體滲流場發生變化。滲流場的變化會改變壩體的受力變形，這種相互作用和影響的特性即滲流-變形耦合作用[1-2]。壩體的滲流-變形耦合作用是影響土石壩安全的重要因素[3-5]，一直以來，尋找與工程實際相符的滲流-變形耦合分析方法都是土石壩研究領域的重點。

國內外大多針對土體的物理組成及自身狀態對土石壩壩料滲透性的影響進行研究，研究對象包括顆粒大小、級配、密度以及孔隙比等[6-8]。而實際工程中，壩料處于復雜的滲流-變形耦合作用中，近年來相關方面的各種試驗研究逐步開展。苗賀朝[9]提出濕陷性黃土在飽和濕陷變形達到穩定后，如果遭遇一定水頭的長期滲透作用，土體會產生滲透剪切變形。詹美禮等[10]對長河壩進行分析，考慮多種應力下的耦合作用，對土體進行了滲透特性試驗研究。研究結果表明：圍壓相同的情況下，當偏應力和軸向應力增大時，土體滲透系數逐漸減小。雷紅軍[1]通過自主研發的試驗裝置探索大剪切變形條件下黏性土滲透性的變化規律，得出黏性土滲透性變化的制約因素主要是孔隙比和結構的變化。呂高峰等[11]運用滲流-變形耦合理論，建立了心墻壩有限元計算網格，以土體孔隙比變化帶動滲透系數變化為基礎，發現滲流場的改變是由于滲流場與應力場的耦合作用，且應力場也隨之改變。劉洋等[12]采用雙重介質下的滲流應力耦合模型，模擬水庫庫水位的漲落及降雨對邊坡的破壞過程，分別研究了應力場變化對滲流場及裂隙滲流場的影響。曹彭強等[13]通過對粉質黏土進行三軸滲透實驗，得出不同干密度、有效應力水平下，該土體的飽和密度隨著應力的增大而增大，故而滲透系數隨之減小。

綜上可知，在土石壩滲流、穩定及應力計算時，若不考慮其滲流-變形耦合作用，則不能真實客觀地反映出工程實際，使計算結果存在誤差，不能正確有效判斷大壩運行狀態，存在潛在工程危險性。而關于土石壩的滲流-變形耦合作用，以往研究中沒有考慮滲流條件變化的影響。本文結合水工有限元計算軟件AutoBANK、鄧肯-張E-B模型，針對土石壩中的均質壩，探究賦予其不同滲透系數初始值，壩體穩定滲流-變形耦合時的滲流場及應力變形場變化規律。

1 計算模型及參數

本文采用理想均質壩計算模型（圖1）。該理想均質壩壩高100 m，壩頂寬度為15 m，上、下游壩坡坡度分別為1∶2.8和1∶2.5，上、下游最高水位分別為90 ，20 m。假設整個壩體分為20層均勻填筑，每層填筑高度為5 m，計算模型共劃分為400個計算網格和441個計算節點。進行滲流分析時，假設該均質壩為不透水地基進行計算。計算采用鄧肯-張E-B模型，計算參數見表1[15]。

為研究不同初始條件下均質壩的滲流-變形耦合特性，分別假設壩身填土初始滲透系數為1×10^-5，5×10^-6，1×10^-6，5×10^-7，1×10^-7 cm/s，共5個對照組，進行穩定狀態下的有限元計算，且假定在整個滲流計算過程中，各組滲透系數初始值保持不變。

2 計算結果分析

2.1 滲流結果

根據滲流計算結果可知，不同滲透系數下的理想均質壩穩定滲流狀態時的壓強水頭、總水頭及浸潤線的分布均相同，如圖2，3所示。穩定狀態時，壓強水頭分布均勻且最大壓強水頭為90 m，分布在上游壩趾處;0 m的壓強水頭分布位置即浸潤線的位置所在（圖2）。由圖3可知，總水頭最大值為90 m，分布在大壩上游壩面至上游水位90 m處;最小值為20 m，緊沿大壩下游壩趾分布至下游水位20 m處。

而根據各對照組所得滲流計算結果可以發現：不同滲透系數壩身材料計算所得的單寬滲流量q與滲流流速v的大小不同。以壩身填土滲透系數為1×10^-5 cm/s的均質壩為例，從圖4可知，滲流流速變化最劇烈、分布最密集的區域在浸潤線上游進口端和下游出口端，此處也正是飽和容重與濕容重分布的臨界位置，故流速分布復雜且變化劇烈。從流速分布可清楚地觀察到（圖5）：浸潤線上游進水端及下游出逸端的流速分布較為復雜，該狀態下的最大流速v_max出現在下游出逸點，v_max=5.8×10^-8" m/s，最小流速v_min出現在上游底端，v_min=6.2×10^-12" m/s。

2.2 應力變形結果

假設該均質壩填筑過程中不蓄水，即竣工期上游水庫未蓄水。根據有限元軟件AotuBANK計算，可以得到5個對照組竣工期及穩定狀態下的應力變形結果，且各組所得竣工期與穩定狀態條件下的計算結果均相同，將兩種工況下的壩體變形及應力變化進行對比分析。

由圖6，7可觀察2種工況下位移變形情況。竣工期，該均質壩僅在壩體巨大的自重及土體顆粒間的作用下發生變形。由圖6（a）可知，竣工期壩體水平位移最大值主要分布在靠近上、下游壩坡的中部，偏向上游水平位移最大值約0.3 m，偏向下游位移最大值約為0.4 m。這是由于上、下游壩坡的坡率不同造成偏向上、下游水平位移最大值不同。穩定狀態條件下，由于上游水庫蓄水，大壩上游面承受水荷載，呈三角形垂直分布在大壩上游面。從水平位移分布，圖6（b）可知，該均質壩偏向下游側水平位移最大值較竣工期增大，為0.6 m左右;而偏向上游側水平位移最大值則較竣工期有所減小，減至0.1 m左右。

從圖7可觀察壩體豎向位移變化。竣工期，大壩因自重產生沉降，最大值分布在壩體中部偏上，約為0.7 m。穩定狀態下，水庫蓄水產生揚壓力作用，壩體的自重荷載由原來的濕容重計，變成3個不同區域分別計算（圖8）。因此，較竣工期大壩土體荷載變小，豎向位移最大值隨之減小0.3 m。同時，豎向位移最大值分布也相對偏向壩底下移。因此，為了維持壩體穩定，減少對壩體應力的不利影響，工程中常采取布置防滲和排水的措施。

從兩種工況應力分布（圖9，10）可以看出，竣工期，大、小主應力的分布都較為均勻，且最大值都分布在壩底中部，分別為1.6，0.8 MPa。穩定狀態條件下，由于滲流場的耦合疊加，即揚壓力作用，使應力場發生改變，大主應力最大值減小為1.0 MPa，小主應力最大值減小為0.55 MPa。

由水平應力分布（圖11）可觀察到：竣工期，高應力水平區域主要分布在壩體中上部接近壩頂處，表明竣工期該區域易出現剪切破壞。而穩定狀態時，上游側小主應力的變化使高應力水平分布區域由竣工期時的大壩中上部，轉而分布在整個壩體中部，且分布區域明顯變大。

3 結 論

本文在前人研究成果的基礎上，結合軟件AutoBANK及鄧肯-張E-B模型，分別對理想均質壩進行了滲流及滲流-變形耦合分析，主要得出以下結論。

（1） 穩定狀態時，壩身填土為不同滲透系數初始值的均質壩，壓強水頭、總水頭、浸潤線分布均相同，但滲透系數初始值的不同使單寬流量不同，進而使流速大小及流速矢量分布不一致。

（2） 將各滲透系數初始值所對應的均質壩滲流場疊加到相應的應力變形場，得到滲流-變形耦合結果：① 竣工時，水平位移偏向上游最大值與偏向下游最大值相差不多，分別分布在壩體上下游側、壩高一半處，豎向沉降量最大值分布在壩體中上部，大、小主應力的最大值均分布在大壩底部中間區域，高應力水平區域則分布在壩體中部接近壩頂的區域。② 穩定狀態時，不論壩身填土滲透系數初始值為多少，理想均質壩滲流-變形耦合結果均一致。在水壓力、揚壓力作用下，相對竣工期，穩定狀態偏向上游側水平位移最大值減小，偏向下游側水平位移最大值增大，而豎向位移最大值減小，大、小主應力最大值均減小，且高應力水平分布區域的位置及大小均發生改變。

因此，工程中若不考慮壩體的滲流-變形耦合特性，計算得到的壩體穩定運行狀態會與實際工程不符，導致對工程安全措施作出錯誤的判斷和布置，存在一定風險。若工程模擬計算中考慮滲流-變形耦合特性，根據滲流及變形計算結果，采取合理的工程措施，如控制壩料填筑和蓄水速度，設置嚴密的排水、反濾措施等，降低土體流固耦合效應對壩體安全帶來的不利影響，進一步提高大壩運行的安全性。

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（編輯：李 慧）