滲流應力耦合作用下重力壩深層抗滑穩定分析

(阜新蒙古族自治縣凌河保護區管理局，遼寧 阜新 123100)

滲流應力耦合作用下重力壩深層抗滑穩定分析

曹娜

(阜新蒙古族自治縣凌河保護區管理局，遼寧 阜新 123100)

重力壩壩基巖體中包含軟弱結構面和性質復雜、方向各異的裂隙，在外力作用下易形成滑移通路，導致大壩穩定性遭到破壞，對人民生命財產安全造成嚴重威脅。本文以白石水庫重力壩溢流壩段為例，采用彈塑性有限元強度折減法，通過ANSYS有限元軟件對滲流應力耦合作用下抗滑穩定安全系數和壩基壩體應力應變進行研究，進而分析滲流應力耦合作用對重力壩深層抗滑穩定的影響。研究表明：滲流應力耦合場作用下重力壩抗滑穩定安全系數小于單一應力場；滲流應力耦合場作用下，白石水庫重力壩抗滑穩定安全系數為2.4。研究成果可為重力壩深層抗滑穩定數值模擬提供工程依據，具有重要的現實意義。

重力壩；深層抗滑穩定；分析

近年來，重力壩應用越來越廣。因重力壩壩基巖體中包含軟弱結構面和性質復雜、方向各異的裂隙，在外力作用下易形成滑移通路[1]，導致大壩穩定性遭到破壞，對人民生命財產安全造成嚴重威脅。因此，重力壩安全穩定性分析、研究尤為重要。本文以白石水庫重力壩溢流壩段為例，采用彈塑性有限元強度折減法，通過ANSYS有限元軟件對滲流應力耦合作用下抗滑穩定安全系數和壩基壩體應力應變進行研究，進而分析滲流應力耦合作用對重力壩深層抗滑穩定的影響。

1 工程概況

白石水庫地處錦州、阜新、朝陽三市中心地帶，控制流域面積18350km2，水庫大壩為混凝土重力壩，壩頂長513.25m，壩高50.31m，總庫容18.21億m3。白石水庫是一座以供水、灌溉、防洪為主，兼顧養殖、發電、觀光旅游的大型水庫。

2 計算模型與參數

2.1 有限元基本方程

透水介質中載荷由靜水壓力和滲透體積力表示，滲流場的分布與荷載的大小緊密相連。對于巖體，根據水力學理論，水力梯度與作用在介質上的滲流體積力呈正比關系，滲流體積力轉化為結點荷載，可進行應力場分析。應變的分布改變了滲流場中孔洞的分布，決定了滲流介質的滲透系數大小。將滲流場下應力場基本方程與應力場下穩定滲流場基本方程結合，根據初始條件和邊界條件進行滲流應力耦合場的計算：

(1)

(2)

2.2 模型參數

模型采用 PLANE55 單元，設定為平面單元，對二維平面熱傳導進行計算，非線性穩態流動通過多孔滲流介質進行模擬，進而實現穩態的分析。滲流場的滲透系數由熱傳導系數表示，溫度表示滲流的水壓力。滲流場中質量流率條件通過熱流動條件施加，水壓力荷載通過溫度條件施加。選取溢流壩段進行分析，壩高38.30m，壩基以壩踵為原點，豎直方向選取90m深，上、下游分別選取90m、130m長壩基，壩踵點豎直向下1.2m、4m、6m 處存在泥巖軟弱夾層。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2.3 網格劃分及邊界條件

模型中壩體為混凝土材料，對模型網格化，共劃分為83919個單元。模型下游水位為0m，下游壩基邊界和下游壩體邊界和施加水頭值為0；上游水位為38.30m，上游壩基邊界和上游壩體邊界水頭值為38.30m。對未施加水頭值和壩基底部的其余邊界，施加質量流率值為0。重力壩部分位置材料屬性見表1。

設計導入期的目的，一是穩定基線，二是洗脫藥物。14項研究中有6項（42.86%）設計了導入期，時長1～4周。其中1周1項，2周2項，4周3項。隨訪目的為觀察腹痛的復發率。14項研究中10項設計了4周～6個月隨訪。其中，4周5項（35.71%），8周3項（21.43%），12周及6月各1項（各占7.14%）。

表1 重力壩部分位置材料屬性

3 滲流應力耦合作用分析

3.1 揚壓力和應力場分析

將水頭值作用于應力場，計算得到滲流系數，迭代計算出滲流應力耦合作用下的水頭值，對壩底進行路徑操作，將壩底各節點計算值映射到路徑上，應力場對滲流場的影響主要反映在水頭值計算結果，壩底各路徑點水頭值見表2?？梢钥闯?，壩底各路徑點上水頭值變化不大，表明應力場對滲流場的影響較小。

表2 重力壩壩底路徑點水頭值 單位： m

滲流應力耦合計算收斂后，將滲流壓力施加到應力場中，進行滲流應力耦合條件下應力場的求解?？梢钥闯?，滲流應力耦合條件下，壩趾和壩踵應力與單一應力場作用相比作用范圍更廣，數值變化較大，表明滲流場對應力場的影響較大。

3.2 水庫重力壩穩定分析

采用強度折減法對白石水庫重力壩進行穩定計算，在基底部邊界施加X和Y方向全位移約束，在壩基上下游邊界施加X方向位移約束。在上游水壓力荷載不變條件下，采用荷載步進行強度折減，逐步折減計算軟弱夾層的內摩擦角和黏聚力。對于重力壩深層抗滑穩定有限元研究的失穩判定依據主要包括關鍵點位移突變、壩基塑性區貫通以及有限元迭代不收斂、滑動面上下層位移錯動以及累計迭代次數激增，對滲流應力耦合場作用下的重力壩安全系數進行分析。

a. 有限元迭代不收斂。將折減系數設計為5，共設置24個荷載步，經計算，有限元迭代至第20荷載步時不收斂，19荷載步對應的安全系數為3.80；采用剛體極限平衡雙斜面穩定計算得到安全系數為3，有限元迭代不收斂對應的安全系數嚴重偏大，兩者相差較大，不予采用。

b. 壩基塑性區貫通。強度折減系數與壩基塑性區發展的關系如圖2所示，可以看出，Ks=1時壩基未進行強度折減時，第一層軟弱夾層已與踵處塑性區相貫通。隨著Ks的繼續增加，壩踵塑性區范圍有所擴展，但范圍較小。隨著折減系數的繼續增大，塑性區不斷發展，Ks=3.40時，形成滑移通路，壩趾處塑性區貫通。因此，判定相應的安全系數為3.4。

圖2 等效塑性應力

c. 關鍵點位移突變。分別選取三個關鍵點，包括壩趾、壩踵以及壩頂，進行關鍵點位移突變分析，壩趾、壩踵以及壩頂的水平方向位移對折減系數的影響如圖 3 所示。分析可知，在折減系數Ks≥2.40時，關鍵點水平位移曲線產生拐點，斜率明顯增大。表明當折減系數大于2.40時，壩趾、壩踵以及壩頂關鍵點的水平位移急劇變化，即該判定條件下對應的安全系數為2.40。

圖3 關鍵點水平位移曲線

d. 滑動面上下層位移錯動。該工程重力壩存在軟弱夾層，對第一層軟弱夾層上下位移的差值進行分析，軟弱夾層上下位移差值曲線如圖4所示。分析可知，當折減系數Ks≥2.40時，第一層軟弱夾層上下位移差值曲線斜率增大，出現明顯拐點，表明當折減系數大于2.40時，重力壩產生深層滑動，第一層軟弱夾層發生上下錯動。因此，重力壩深層抗滑穩定安全系數為2.40。

e. 累計迭代次數激增。對不同折減系數下ANSYS迭代次數進行紀錄，得到累計迭代次數曲線，如圖5所示。分析可知，當折減系數Ks≥2.40時出現拐點，迭代次數急劇增加，累計迭代次數曲線斜率明顯增大。

圖5 累計迭代次數曲線

綜上所述，在滲流應力耦合場作用下，推斷白石水庫重力壩溢流壩段的深層抗滑穩定安全系數為2.40。在不同判斷依據條件下，對滲流應力耦合作用重力壩安全系數進行匯總，見表3。

表3 重力壩安全系數分析

4 結 論

本文以白石水庫重力壩溢流壩段為例，采用彈塑性有限元強度折減法，通過ANSYS有限元軟件對滲流應力耦合作用下抗滑穩定安全系數和壩基壩體應力應變進行研究，進而分析滲流應力耦合作用對重力壩深層抗滑穩定的影響，得出以下結論：

a. 應力場對滲流場的影響較小，壩底各路徑點上水頭值變化不大；滲流場對應力場的影響較大，滲流應力耦合條件下，壩趾和壩踵應力與單一應力場作用相比作用范圍更廣，數值變化較大。

b. 在滲流應力耦合場作用下，有限元迭代不收斂、壩基塑性區貫通、關鍵點位移突變、滑動面上下層位移錯動以及累計迭代次數激增判斷依據條件下，白石水庫重力壩溢流壩段的深層抗滑穩定安全系數分別為3.8°、3.4°、2.4°、2.4°、2.4°。

c. 滲流應力耦合場作用下重力壩抗滑穩定安全系數小于單一應力場；滲流應力耦合場作用下，白石水庫重力壩抗滑穩定安全系數為2.40。

[1] 劉洋. 高重力壩底孔壩段有限元靜動力分析研究[J]. 中國水能及電氣化, 2010(9): 39-44.

[2] 康鋒, 陶春潔, 李志強. 水位降落期堤防上游邊坡抗滑穩定初步研究[J]. 水利建設與管理, 2016(5): 22-24.

[3] 劉爽, 任青文, 李強, 等. 彈塑性有限元強度儲備法在滲流應力耦合分析中的應用研究[J]. 力學季刊, 2011(2): 147-152.

[4] 于沭, 陳祖煜, 賈志欣, 等. 向家壩水電站壩基深層抗滑穩定性的流固耦合分析[J]. 中國水利水電科學研究院學報, 2010(1): 11-17.

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AnalysisonDeepAnti-SlidingStabilityofGravityDamunderSeepageStressCouplingEffect

CAO Na

(FuxinCountyLinghePretectionZoneAdministration,Fuxin123100,China)

Gravity dam foundation rock mass contains weak structural plane and cracks with complicated properties and different directions. Glide paths can be easily formed under the effect of external force, thereby damaging dam stability and seriously threatening people's life and property safety. In the paper, gravity dam overflow dam section of Baishi Reservoir is adopted as an example, elastic-plastic finite element strength reduction method is adopted, ANSYS finite element software is applied for studying the anti-sliding safety coefficient dam foundation and dam stress strain under seepage stress coupling effect, thereby analyzing the influence of seepage stress coupling effect on gravity dam deep anti-sliding stability. The study shows that the gravity dam anti-sliding stability safety coefficient under seepage stress coupling field effect is smaller than single stress field. The anti-sliding stability safety coefficient of Baishi Reservoir gravity dam is 2.4 under the seepage stress coupling effect. The research result can provide engineering basis for gravity deep anti-sliding stability numberical stimulation with important realistic significance.

gravity dam; deep anti-sliding stability; analysis

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.08.010

TV642.3

：A

：1673-8241(2017)08-0037-05