土石壩飽和—非飽和穩(wěn)定滲流場影響分析

韓 雪

(通河縣水務(wù)技術(shù)服務(wù)中心，黑龍江 通河 150900)

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土石壩飽和—非飽和穩(wěn)定滲流場影響分析

韓 雪

(通河縣水務(wù)技術(shù)服務(wù)中心，黑龍江 通河 150900)

土石壩是當(dāng)今最為常用的一種壩型，而防滲體系的構(gòu)建對壩體穩(wěn)定具有十分重要的作用，國內(nèi)外的多起水利工程安全事故足以引起足夠的重視。進行土石壩的滲流分析需要將滲流場定義為飽和和非飽和區(qū)的共同體，過去的經(jīng)驗已然證明二者的相輔相成。二者相比非飽和滲流的運動特性相對復(fù)雜，影響因子也較飽和滲流多。文章結(jié)合工程實例，運用有限元數(shù)值模擬出土石壩在飽和與非飽和滲流中滲流場的變化規(guī)律，得出正確合理的滲流場理論，研究成果在土石壩的防滲體系的構(gòu)建上具有一定的參考價值。

土石壩；非飽和土；滲流；有限元

0 前 言

非飽和土是指經(jīng)開挖、重塑和碾壓密實的土體。土石壩土體介質(zhì)的非飽和特性至今依然是現(xiàn)代水利工程界的熱門課題[1]。因為其不僅廣泛存在于水利工程，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也運用廣泛，如地下水位變化、土體水份滲透及蒸發(fā)等的變化對地下水的影響，其主要作用在土體的非飽和區(qū)域。在土木工程領(lǐng)域，雨水的滲透對地基穩(wěn)定性的影響也要分析飽和-非飽和的滲流分布規(guī)律。

土石壩的滲流場由飽和區(qū)和非飽和區(qū)共同組成[1]，二者相互制約又相互聯(lián)系。影響因素諸多，降雨量、水位的變化等均能改變飽和區(qū)和非飽和區(qū)的作用區(qū)域，理論上單獨對非飽和區(qū)的滲流研究更能反映工程實際，假如單獨進行飽和區(qū)的滲流分析，直接加大了計算難度，伴隨著有時計算陷入死循環(huán)難以求解。

影響非飽和滲流運動的因素眾多，且形態(tài)也較復(fù)雜，比如固、液、氣三種不同形態(tài)、溫度、體積比、壓強和空氣壓力等，從力學(xué)角度范疇將這是多因子相互作用的共同結(jié)果，也是相互耦合的受力變化過程。目前國內(nèi)隨著多年的研究發(fā)現(xiàn)，對于非飽和滲流參數(shù)的確定至關(guān)重要，參數(shù)的確定才能計算分析得出非飽和滲流的滲流場分布規(guī)律[2]。為使更加密切聯(lián)系工程實際，并為工程設(shè)計運行提供正確合理的理論依據(jù)，足以見土石壩飽和-非飽和滲流場的數(shù)值模擬分析的重要性。

1 飽和-非飽和滲流有限元解法

1.1 定解條件

對穩(wěn)定滲流方程進行求解時，列出邊界條件；對非穩(wěn)定滲流方程求解時，列出初始條件和全過程的邊界條件[3]。

基于流動的數(shù)學(xué)模型，可分為3類邊界條件：

1)第1類邊界條件是水頭邊界條件，假定已知邊界的水頭分布。表達式如下：

h|Γ1=H1(x,y,z,t)

(1)

2)第2類邊界條件是流量邊界條件，假定已知邊界的位勢函數(shù)，表達式如下：

(2)

3)第3類邊界條件是混合邊界條件，定義邊界外水頭差和水位能量呈線性關(guān)系，即：

(3)

式中：α、β為正常數(shù)。

1.2 飽和-非飽和滲流的基本微分方程

在非飽和土體中，通?？紫读黧w組成部分有水和氣，假定只考慮流水作用，結(jié)合達西定律和水體積變化值，建立非飽和滲流基本微分方程[4]，即：

(4)

假定總應(yīng)力對時間導(dǎo)數(shù)為零，孔隙氣壓力同理，則上式表達為：

(5)

式中：m2w為壩基水的黏滯力變化下體積系數(shù)?？蓪⑹?4)變?yōu)?/p>

(6)

若假設(shè)是穩(wěn)定滲流分析，即：

(7)

非飽和與飽和土體的在滲流方程表達式上雖相同，但非飽和滲透系數(shù)為變值，作用點變化，系數(shù)隨之改變。將上式展開，得出基本的非線性方程表達式如下：

(8)

1.3 飽和-非飽和滲流的有限元解法

國內(nèi)目前對土體飽和與非飽和滲流的研究公式主要是運用Galerkin加權(quán)余量法，推導(dǎo)出二維有限元飽和-非飽和滲流問題公式，具體推導(dǎo)過程如下[3]：

首先已知近似解假定一個試探函數(shù)，列出加權(quán)余量方程，基于格林原理的方法消除二次微分，并將所得式代入假定函數(shù)及邊界條件，進而得出組合滲透矩陣，推導(dǎo)得到參數(shù)矩陣。以單元形式表達如下：

∫A[B]T[K][B]dA×{Hi}e+∫A[N]Tλ[N]dA

(9)

數(shù)值積分后得出：

(10)

在時間微分的處理中首先計算出特定時間的節(jié)點水頭，再利用有限差分法繼續(xù)求解[5]。得出的各單元數(shù)值代入式(5)，進而得出總體流動方程組。要求各單元各節(jié)點具有相似性，水頭必須保持一致。下面對各節(jié)點處的水頭{H}求解過程需依據(jù)總體流動方程組。各節(jié)點處的水頭值直接影響滲透系數(shù)，采用迭代法來實現(xiàn)。文章基于SEEP程序采用向后差分法進行迭代，在運算中設(shè)置容許誤差和迭代次數(shù)上限。該程序通過求解得出的節(jié)點收斂水頭值，進而計算得到滲流速度和孔隙水壓力。

2 工程實例

建于中國西南地區(qū)的某均質(zhì)土壩，主要功能是調(diào)蓄和灌溉，兼以發(fā)電功能，大壩壩頂長度505.0m，壩頂高程854.0m，最大壩高68.0m。上、下游壩坡比為1∶3、1∶2.75。該壩的最大橫剖面圖如圖1所示[6]。大壩內(nèi)排水為水平褥墊方式?；鶐r上部為強風(fēng)化層，基巖下部巖體為相對隔水層。

圖1 大壩橫剖面圖

2.1 有限元模型與計算參數(shù)

坐標(biāo)系定義如下：X軸為順河流方向上游指向下游為正；Y軸是豎直方向，指向向上為正，有限元網(wǎng)格剖分圖如圖2。

圖2 大壩有限元模型

模型的計算區(qū)域范圍選?。貉睾恿鞣较蚍謩e向上、下游各取68m；豎直方向從壩基向下取80m。

有限元網(wǎng)格劃分：該模型由顏色各異的5個分區(qū)組成，分別表示大壩、強弱透水地層、防滲帷幕和下游排水體五部分。計算軟件采用GeoStudio，模塊為SEEP/W。該模塊的特點是適用性強，能夠自動剖分單元，模型劃分單元選取三角形和四邊形單元，這樣劃分很大程度上能提高計算準(zhǔn)確度。網(wǎng)格剖分后共生成單元2113個，結(jié)點2245個。

對大壩各分區(qū)材料進行了力學(xué)實驗，并結(jié)合類似工程實例檢測結(jié)果，該土石壩的各物理力學(xué)參數(shù)見表1[7]。

表1 土石壩各分區(qū)材料物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 穩(wěn)定滲流場對比分析

文章研究情況為正常工況下的穩(wěn)定滲流場。定義邊界條件如下：壩基處認定為不透水邊界，即滲流量為零；在壩體上游面和左側(cè)強透水層高程定義總水頭145m，在壩體下游面定義總水頭94m，將上、下游的總水頭值定義為水頭邊界。

2.2.1 飽和穩(wěn)定滲流場

定義材料類型：在運用SEEP/W軟件[8]分析時，將大壩的各分區(qū)材料滲透系數(shù)定義為飽和滲透的。

通過有限元計算分析，飽和穩(wěn)定滲流場在正常工況下的總水頭、壓力水頭、孔隙水壓力分布圖及計算結(jié)果已得出工況下的浸潤線見圖3-5。

圖3 正常工況下飽和穩(wěn)定滲流場總水頭等值線分布圖

圖4 正常工況下飽和穩(wěn)定滲流場壓力水頭等值線分布圖

圖5 正常工況下飽和穩(wěn)定滲流場孔隙水壓力等值線分布圖

2.2.2 飽和-非飽穩(wěn)定滲流場

定義材料類型：根據(jù)以往浸潤線作為飽和-非飽和的分界線，結(jié)合工程實際定義大壩材料為非飽和狀態(tài)下的參數(shù)，其他4分區(qū)材料定義為飽和狀態(tài)下的材料參數(shù)。

通過有限元計算分析可得到飽和-非飽和穩(wěn)定滲流場的總水頭、壓力水頭、孔隙水壓力分布圖見圖6-8。

2.2.3 飽和與飽和-非飽和穩(wěn)定滲流場對比分析

對比分析圖3和圖6，大壩下游的浸潤線高度在非飽和穩(wěn)定滲流場中和飽和時相比偏低。分析原因在飽和穩(wěn)定滲流分析時，理論認為浸潤線位置處無水能的損失，僅為滲流場的分界線；在非飽和穩(wěn)定滲流場分析影響時，水量從上向下由飽和區(qū)進入非飽和區(qū)，原因是非飽和區(qū)的基質(zhì)吸引力造成的，這樣使得非飽和滲流的浸潤線高度降低，壓力水頭下降，由此帶來水頭損失的增加。

圖6 飽和-非飽和穩(wěn)定滲流場總水頭等值線分布圖

圖7 飽和-非飽和穩(wěn)定滲流場壓力水頭等值線分布圖

圖8 飽和-非飽和穩(wěn)定滲流場孔隙水壓力等值線分布圖

對比分析圖4和圖5，在飽和穩(wěn)定滲流場的分析中，以浸潤線為分界線分割飽和區(qū)，若僅認為浸潤線以下的飽和區(qū)發(fā)生滲流，忽略浸潤線以上的飽和區(qū)域，忽略對部分壓力總水頭和孔隙水壓力的計算分析，這樣的分析是不合理的。對比分析了非飽和區(qū)在滲流場中的作用，浸潤線是飽和-非飽和滲流區(qū)的分界線。其下孔隙水壓力、總水頭值均是正值，反之均為負值。

通過對比分析飽和-非飽和穩(wěn)定滲流場的分析得出壓力總水頭、孔隙水壓的等值線分布規(guī)律大致相同，在實際工程中對二者的分析研究必須結(jié)合起來。為了使更加顯著區(qū)別，對非穩(wěn)定滲流的課題研究尤為重要。

3 結(jié) 論

文章主要是在土石壩飽和-非飽和土體的理論研究基礎(chǔ)上，根據(jù)有限單元法的基本原理和數(shù)學(xué)模型的建立，運用有限元程序模擬了正常工況下，飽和-非飽和穩(wěn)定滲流的浸潤線變化趨勢，對滲流場中壓力總水頭、孔隙水壓力進行了計算分析，結(jié)合工程實際認為計算結(jié)果正確合宜，通過等值線分布圖驗證了壩坡的安全穩(wěn)定性。同時認為滲流分析是飽和滲流與非飽和滲流有本質(zhì)的區(qū)別，二者的結(jié)合分析會更貼近工程實際。

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[7]朱曉源．考慮非飽和土體的土石壩滲流與壩坡穩(wěn)定分析研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2006.

[8]黃俊，蘇向明．土壩飽和-非飽和滲流數(shù)值分析方法研究[J]．巖土工程學(xué)報，1990(05) .

Impact Analysis for Saturation and Un-saturation Stability Seepage Field of Earth and Rock Fill Dam

HAN Xue

(Tonghe County Tax Technology Service Center, Tonghe 150900, China)

Earth-rock dam is a common dam type at the present time, and the construction of seepage protection system takes very important roles for the stability of dam body, several safety accidents in water conservancy projects both at home and abroad will arouse enough attention. To analyze the seepage of earth and rock dam needs to be defined as a community of saturation and un-saturation areas, the past experiences have proved them to be supplemented each other. For both the movement characteristics, un-saturation seepage is more complex and the affecting factors are more than saturation seepage. In this paper, combination with the project on-site, the valuable simulation for limited element is applied to draw the changing law of seepage fields in both saturation and un-saturation seepage, concluding a correct theory about seepage filed, and the results studied will have a certain of reference values in constructing the seepage protection system of earth and rock fill dam.

earth-rock dam;un-saturated soil;stable seepage field

1007-7596(2017)05-0023-04

2017-04-18

韓雪(1968-)，女，黑龍江通河人，工程師。

TV641

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