基于GEO_SLOPE的土石坝应力场─渗流场耦合分析

复杂条件下膨胀土边坡渗流和稳定性分析

2005年第2期　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　15

基于GEO2SLOPE的

土石坝应力场─渗流场耦合分析

刘万忠　周志芳

(河海大学土木工程学院　南京市　210098)

提要　运用GEO2SLOPE的全耦合分析功能对瀑布沟水电站高土石坝应力场─渗流场进行了耦合分析,求解了坝体、坝基深厚覆盖层的水平及垂直向位移分布,同时给出了相应的渗流场分布,分析得到了孔隙水压力随时间的消散情况,最后预测了不同时段通过坝基的渗流量。关键词　土石坝　深厚覆盖层　应力场　渗流场　耦合

CouplingAnalysisofStressField─SeepageFieldinEarth2rockfillDamBasedonGEO2SLOPE

LiuWanzhong　Zhou(CollegeofCivil)

Abstract　isusedtoanalyzethestressfield─seepagefieldin,hydroelectricpowerstation.Bythiscouplinganalysis,horizontalandverticalheadsofseepagefieldareresolvedindambody,deepandthickoverburdenlayeronbasisofthedam.Thechangeofpore2waterpressureisshowedwithtime.Finally,seepagefluxesofalltimestepsarepredictedinbasisofdam.

Keywords　earth2rockfilldam;deepandthickoverburdenlayer;stressfield;seepagefield;coupling

1　前言

水电工程中,坝区应力场与渗流场耦合分析越来越受到关注。坝区应力场和渗流场是不可分割的整体,将两场联系起来进行分析,更能突现坝区应力

分布、坝体坝基变形以及孔隙水压力的变化,从而更确切地反映坝区的场动态演化。

GEO2SLOPE具全耦合分析功能,即求解土体应力应变与孔隙水压力的变化是同步进行的。应力应变通过SIGMA/W模块求解,孔隙水压力的变化通过SEEP/W求解。本文应用GEO2SLOPE软件对瀑布沟水电站心墙堆石坝应力场

—渗流场进行了耦合分析,对坝体、坝基的应力应变及孔隙水压力消散情况进行了探讨,并预测了坝基渗流量,为工程建设提供了参考依据。

作者简介:刘万忠,男,1979年生,硕士生,主要从事岩土体渗流计算。收稿日期:2004-09-20

2　工程概况

拟建瀑布沟水电站工程位于四川省西部大渡河中游汉源县和甘洛县接壤处,是一座以发电为主,兼漂木等综合效益的水利工程。大坝采用碎石土心墙堆石坝坝型,最大坝高18610m,水库正常蓄水位85010m。

坝体分堆石区、过渡区、反滤区以及碎石心墙区,下游堆石区及过渡区。底部设水平反滤层。各区材料均来自坝址区周边料场。在考虑了料场开采经济、运输方便的基础上,碎石土心墙料选用了深启低及黑马Ⅰ区料场花岗岩碎石;坝壳填筑料、混凝土料及反滤料来自坝址附近卡尔沟和加里俄岬两处花岗岩体,岩体各项指标均满足要求。防渗粘土料结构密实,粘粒含量3818%～5015%,塑性指数1718～2810,天然含水量11143%～21127%,基本技术指标

均满足要求。

复杂条件下膨胀土边坡渗流和稳定性分析

　　　　　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　2005年第2期16所建坝体位置现代河床堆积为第四系深厚覆盖层,共四层,由老到新依次为:①Q23漂卵石层,②

-1-2Q1卵砾石层,③Q1漂卵石夹透镜状砂层,④Q2444

漂(块)卵石层。总体来看四层均以漂卵石等粗颗粒为主,磨圆度较好,各层结构总体较为密实;覆盖层

厚度一般为40～60m,最厚70～80m,河床谷底基岩顶板高程600～610m;覆盖层下伏基岩主要为前震旦系浅变质玄武岩和澄江期花岗岩,岩石致密坚硬,其中花岗岩体完整性较好,为工程主要利用岩体。大坝所处区覆盖层以下花岗岩中发育有断层。土石坝横剖面如图1示

。

图1　3　耦合模型

311　Fredlund[2]曾对非饱和土壤

k,y);γw为水

w,对于饱和区,体积含水量

ε的变化量即为体应变(Δv)的变化量。

据虚位移原理,式(4)可化为:

-

。根据其建立的土体本构关系,那么相应地,对于饱和区,孔隙气压等于大气压,水体充满介质孔隙,因此就可以建立起如下的本构关系:

σε{Δ}=[D]{Δ}+{m}Δuw

(1)

　uuVdA∫5tdV=∫

w

++dV+

γγxxyyww

3

w

33

3

n

(5)

式中,[D]为线弹性矩阵,与弹性模量及泊松比有关;{m}为单位等参向量,{m}T=<1,1,1,0>;uw为孔隙水压力。

据虚位移原理,将式(1)离散,可得如下形式:

δρ[B]T[D][B]{Δ}+

ρ[B]{m}<N>{Δuw}=ρF

其中:[K]=[B]T[D][B],为劲度矩阵;

[Ld]=[B]{m}<N>,为耦合矩阵。

TT

式中,Vn为边界通量。

对上式进行有限元离散,可得

-[B]T[Kw][B]{uw}dV+γw

(2)

　<N>{m}[B∫

　<N>VdV∫

T

T

T

n

T

dV=(6)

其中,[Kf]=∫[B]T[Kw][B]dV为单元劲度矩阵;

[Lf]=∫<N>{m}[B]dV为水流耦合矩阵;[B]

简写之,即为:

δ[K]{Δ}+[Ld]{Δuw}={ΔF}

312　渗流连续性方程

(3)

为应变矩阵;[Kw]为渗透矩阵。

对渗流方程由t时间到t+Δt时间进行积分t+Δtt+Δt

-[Kf]{uw}dt+[Lfdt=γttw

根据研究区岩土体渗流特点,可以将其概化为非均质各向同性渗流模型。根据Darcy定律,可以建立渗流方程

++=022γγt5x5yww

2

2

∫

　∫

t

∫

t+Δt

<N>VndAdt

T

(7)

(4)

引入时间步长因子θ,对式(6)应用时间差分得

Δθ)[Kf]{uw}|t+[Kf]{uw}t+Δt+(1-θ-

γw

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[Lf]{δ}

t+Δt

t=Δt

∫

<N>

T

θVn

t+Δt

+

地层

表1　坝基覆盖层土体参数取值

渗透系数K/(cm s-1)弹性模量E/MPa

6194×10-26194×10-22142×10

-1

(1-θ)Vn

泊松比ν

0135013501350132

dA(8)

Q24

-2

Q14-1Q14Q260556065

为了得到只包含孔隙水压力增量的表达式,式

(7)进行变形可得

Δδ[Lf]{Δ}-γ[Kf]{Δuw}=

w

Δt{Q}

t+Δt

-1

413　几何模型及求解

+

γw

几何模型所选剖面为大坝最大纵剖面,如图2所示。最大高程为850m,最低高程为基岩面450m。

所建模型共674个单元,680个节点,为三角形和四边形单元,三角形和四边形单元高斯积分点和节点数相同。节点编号由模型上游底部开始,

水平方向排列。计算时段是从坝体一次性加荷完成、水库蓄水以后开始,共划分了20个时间步段,共计24d。计算采用直接求解法,最大迭代次数设为10次,迭代精度为10-2。

[Kf]{uw}

t

(9)

式中,{Q}为边界节点的流量。

联立式(3)、式(9),即为描述土石坝应力场—渗流场的耦合方程组。由此可见,每一个节点都建立了三个方程,其中两个为平衡方程,另一个为水流连续性方程。SIGMA/W模块的全局变量为应变增量,SEEP/W中的全局变量为孔隙水压力增量。耦合分析中,孔隙水压力的计算由SEEP/W模块完成,而后将每一时段不同的孔隙水压力变化作为一种节点荷载赋予到SIGMA/W模块中,在SIGMA/W模块中计算每一时段土体中应力应变的变化。上述渗流场与应力场的耦合过程中,步求解的。

4　411　定解条件

图2　土石坝横剖面剖分

414　成果分析

计算可以得到各个时段的应力与位移分布图,现选出蓄水后第20时段末坝体及坝基深厚覆盖层

X

方向的位移分布图进行分析,如图3所示。可见坝体位移最大处发生在接近坝踵处,上游为016m,下游为019m,由堆石区向心墙过渡,坝体水平位移逐渐降低;坝基深厚覆盖层水平位移随砂砾石埋深加大而逐渐减小,最大水平位移发生在漂卵石层和含漂卵石层。

水荷载作为静荷载加于坝体及坝基上游,正常蓄水后,库面水位高程为850m。计算中,只考虑一次加荷,即考虑竣工时的坝体、坝基变形。坝体、坝基的变形为土体自重应力引起。覆盖层及基岩的侧向位移被限制。

蓄水后,初始上游水位为850m,下游水位即现河水位,为670m。坝基底部和左、右两侧边界为流线边界,即零流量边界。在计算过程中水位边界条件不变。412　计算参数本次分析采用线弹性应力应变本构模型,共划分12个材料区域。其中坝体划分为堆石区、过渡区、反滤区(包括水平反滤层)及心墙区,四区所取建筑材料均来自坝址区周围料场。土体参数以勘察及土工试验成果为基准,并参考其它类似工程的取值经验而获得。坝基材料划分为8类:四层第四系堆积层、两层岩体层及帷幕和防渗墙。

坝基覆盖层成层结构不均一,颗粒大小悬殊,但各层渗透系数值相差不大,一般K值为213×10-2～1104×10-1cm/s范围内,均属强透水层。将覆盖层土体参数汇总如表1。

图3　20时段末土石坝横剖面水平方向位移分布

大坝蓄水后第20时段末坝体及坝基深厚覆盖

层Y方向的位移分布图如图4所示。由于计算为一次加荷,与分级加荷不同,坝体最大位移发生在坝顶,最大垂直位移量为0179m,心墙区下部位移等势

线与坝体其它区域略有不同,说明心墙下部位移变化率较快;坝基覆盖层最大垂直位移量约为0128m,

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　　　　　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　2005年第2期18发生在坝体过渡区下部,上下游覆盖层土体有Y向的正向位移,即土体发生了隆起,最大为0119m,位于上游区,这是与实际情况相符的,坝体建成以后,坝体下沉,覆盖层压缩,坝基两侧土体势必会发生隆起。20时段末时,坝体及坝基渗流场达到稳定状态,如图5所示,图中所展示的矢量分布表明了地下水体的运动状态。从坝基覆盖层选择几个有代表性的节点,代表了不同砂砾石土层,顺序依次从Q23地层底部至Q24地层顶部,图6所示即为所选的节点孔隙水压力随时间的消散情况,从图6中可见孔隙水压力在开始有瞬间的增高,而后超孔隙水压力开始逐渐消散。不难理解,当外荷载作用于坝基覆盖层时,在总应力不变的情况下,土体压缩,引起孔隙水压力的瞬时升高,而后孔隙水压力开始逐渐消散,土体有效应力增加,土体进一步压缩,最终达到平衡。模拟结果很好地反映了这一过程

。

采用变时间步长,将时间段延伸至30个时间步长,达到394d,可求得坝基覆盖层各时段末的地下水渗流量,如表2所示。由表中看出,初期坝基覆盖层渗流量呈现增大的趋势,通过覆盖层各时段渗流场分析可知,坝体一次性加荷、蓄水完成以后,坝基受上覆荷载作用力,土体瞬间挤压,下伏覆盖层土体应力状态发生瞬间突变,即孔隙水压力瞬间升高,坝基孔隙水压力消散瞬间提高,引起了坝基渗流量的变化;随着坝基土体压缩减慢,孔隙水压力消散减缓,坝基渗流量会逐渐趋于稳定。由表2也可看出这一趋势,初期坝基渗流量增势随着时间的推移逐渐减小,最终直至稳定状态。

表2　坝基渗流量随时间的变化量

时间/d

1

2

3

6

12

24

48

96

192394

坝基流量5120519051996100610261026102610261026102　　注:坝基流量的单位为:m3 d-1 m-1。

5,SIGMA/W与,坝体与坝基深厚覆

图4

　20盖层的水平与垂直位移结果与由其材料性质所预期

产生的结果是基本一致的。

2)孔隙水压力的消散特点具有明显的cryer效应,即孔隙水压力会瞬时升高,而后随时间的延续逐渐消散。

3)GEO2SLOPE线弹性耦合分析收敛速度很快,且收敛精度很高,在合理的参数取值的基础上,可以得到合理的模拟效果。

4)GEO2SLOPE耦合分析中,时间步长选取的是

图5　20时段末土石坝横剖面渗流场分布及矢量分布

否合理会影响到最终模拟结果的合理与否,因此时

间步长的选取是非常重要的,在以后的工作中应该注意。

参考文献

1　钱家欢,殷宗泽著.土工原理与计算.第2版.北京:中国

水利水电出版社,1996

2　FredlundDGandMorgensternNR.Constitutiverelationsfor

volumechangeinunsaturatedsoil.CanadianGeotechnicalJour2nal.1993,13(3):261～267

3　杨荣.瀑布沟高土石坝三维非线性分析.应用基础与工程

科学学报,1995,3(3):260～267

4　王晓鸿,仵彦卿.渗流场应力场耦合分析.勘察科学技术,1998(4):3～6

5　柴军瑞.大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分

图6　孔隙水压力随时间消散情况示意

析研究综述.水利水电科学进展,2002(4):53～55

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3p14.html