裂隙巖體非穩(wěn)定滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析研究

潘廣良

(方正縣河湖運(yùn)行保障中心，黑龍江 方正 150800)

1 緒 論

深厚覆蓋層地質(zhì)條件復(fù)雜，滲透性大，對(duì)大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定影響，在設(shè)計(jì)階段需著重考慮防滲體系的構(gòu)建。當(dāng)大壩完建蓄水時(shí)，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(xiàn)變化，都將給大壩安全運(yùn)行帶來很多隱患。同時(shí)，巖體滲流很大程度上取決于裂隙結(jié)構(gòu)面，幾何參數(shù)改變巖體滲透性，所以正確合理地分析裂隙巖體的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布就顯得極其重要。

2 裂隙巖體等效連續(xù)介質(zhì)滲透原理

裂隙巖體通常采用滲透張量體現(xiàn)滲透各向異性，二維等效連續(xù)介質(zhì)滲透系數(shù)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(dòng)力黏滯系數(shù)。

2.1 滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)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(dòng)水壓力。滲透靜水壓力p表達(dá)式為：

p=γ(H-y)

(2)

(3)

式中：fx、fy為滲透動(dòng)水壓力分量。

2.2 應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響

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

σn=σ1cos2β+σ3sin2β

(4)

正應(yīng)力作用后的裂隙隙寬變量△b表達(dá)式為：

(5)

式中：Kn0為初始法向剛度；b0為初始隙寬；bm為機(jī)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(yīng)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(shí)測(cè)滲流資料得知繞壩滲流較小，故不考慮壩體滲流。計(jì)算時(shí)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(chǎng)初始滲透系數(shù)張量為：

(6)

壩體及基巖示意圖，見圖2；有限元網(wǎng)格剖分圖，見圖3。模型共剖分187個(gè)單元，116個(gè)結(jié)點(diǎn)。

圖2 壩體及基巖示意圖

圖3 有限元網(wǎng)格剖分圖

壩體及基巖力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表，見表1。

表1 壩體及基巖力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

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

2)應(yīng)力場(chǎng)邊界條件：x向位移v|AE=v|DF=0；y向位移w|EF=0，貯存系數(shù)為Ss=6.8×10-5。

3.2 計(jì)算結(jié)果

當(dāng)上游庫水位以1m/d的速率下降，下游水位保持不變，此時(shí)壩體及壩基的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分布結(jié)果。初始時(shí)刻不計(jì)耦合的壩基水頭等值線圖，見圖4；初始時(shí)刻考慮耦合的壩基水頭等值線，見圖5；不計(jì)耦合的壩基應(yīng)力場(chǎng)σx等值線圖，見圖6；考慮耦合的壩基應(yīng)力場(chǎng)σx等值線圖，見圖7；不計(jì)耦合應(yīng)力場(chǎng)τxy等值線圖，見圖8；考慮耦合的應(yīng)力場(chǎng)τxy等值線，見圖9。

圖4 初始時(shí)刻不計(jì)耦合的壩基水頭等值線圖

圖5 初始時(shí)刻考慮耦合的壩基水頭等值線

圖6 不計(jì)耦合的壩基應(yīng)力場(chǎng)σx等值線圖

圖7 考慮耦合的壩基應(yīng)力場(chǎng)σx等值線圖

圖8 不計(jì)耦合應(yīng)力場(chǎng)τxy等值線圖

圖9 考慮耦合的應(yīng)力場(chǎng)τxy等值線圖

1)滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析：從初始時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果來看，考慮耦合與否的滲流場(chǎng)結(jié)果相差較大。當(dāng)考慮兩場(chǎng)耦合時(shí)，壩基巖體裂隙不斷相互擠壓，造成裂隙寬度變小，此時(shí)滲流量降低。同時(shí)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(huì)出現(xiàn)水頭滯后效應(yīng)，水位下降時(shí)間越久，滯后效應(yīng)越顯著。

2)應(yīng)力場(chǎng)結(jié)算結(jié)果分析：從應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果來看，考慮耦合與否的應(yīng)力場(chǎng)各分量變化趨勢(shì)基本相似，分析是受滲透靜、動(dòng)水壓力影響，各應(yīng)力分量σx、σy、τxy均不同程度增加，大壩及壩基穩(wěn)定更加貼合實(shí)際，故考慮巖體裂隙滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用是非常有必要的。

4 結(jié) 論

文章在裂隙巖體二維滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)作用機(jī)理的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合工程建立二維有限元模型，分析非穩(wěn)定滲流場(chǎng)作用下的應(yīng)力場(chǎng)變化，應(yīng)力場(chǎng)帶來的壩基水頭變化，比較耦合與否的計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為在本身穩(wěn)定的壩基當(dāng)邊界條件變化時(shí)，仍有可能還不穩(wěn)定，造成壩基失穩(wěn)，所以在實(shí)際工程中要考慮滲流和應(yīng)力的耦合作用。