基于AutoBANK的流固耦合場(chǎng)沙田水庫(kù)壩體滲流變形特征研究

劉 歡

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516000)

壩體作為水利工程中重要水工建筑，其安全可靠性與防滲結(jié)構(gòu)、靜力結(jié)構(gòu)及抗震體系密切相關(guān)[1-2]，研究壩體滲流-變形特征需要考慮具體工程荷載環(huán)境。壩體在蓄水水位漲幅期與運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，受流固耦合場(chǎng)與非滲流場(chǎng)影響[3-4]，其穩(wěn)定性變化、發(fā)展有所差異，因而研究壩體滲流-變形在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)、不同滲透系數(shù)工程環(huán)境下影響變化，對(duì)推動(dòng)壩體運(yùn)營(yíng)、設(shè)計(jì)具有重要意義。黃謝平等[5]、丁澤霖等[6]采用物理模型試驗(yàn)方法，模擬了多場(chǎng)耦合下土壩滲流-變形過(guò)程受滲透系數(shù)、水位等試驗(yàn)因素影響，從原型試驗(yàn)研究入手，探討了壩體滲流-變形發(fā)展態(tài)勢(shì)，為工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)提供了依據(jù)。王正成等[7]、劉占濤[8]從壩體防滲結(jié)構(gòu)入手，探討了大壩防滲結(jié)構(gòu)體系流固耦合場(chǎng)下滲流特征與靜力特征。劉茵[9]、高四軍[10]探討了壩體靜、動(dòng)力場(chǎng)影響變化，分析了壩體結(jié)構(gòu)靜力特征與動(dòng)力響應(yīng)特性，為工程抗震設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)除險(xiǎn)加固提供了參照。而針對(duì)流固耦合場(chǎng)中壩體滲透系數(shù)、時(shí)間效應(yīng)等，呂輝等[11]、潘英杰等[12]利用Abaqus等數(shù)值計(jì)算方法建模分析了壩體的靜力穩(wěn)定性，推動(dòng)了多場(chǎng)耦合下水工結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算與滲流分析。本文基于沙田水庫(kù)多場(chǎng)耦合下滲流-變形問(wèn)題，探討了蓄水期水位漲幅與運(yùn)營(yíng)期變形、應(yīng)力特征，分析了壩體滲透系數(shù)影響下滲流-變形特性，為工程加固、防滲設(shè)計(jì)提供了參考。

1 工程概況

沙田水庫(kù)乃是惠州地區(qū)重要供水來(lái)源，該水庫(kù)庫(kù)床為塊形展布分布，最寬處約為2.74 km，建設(shè)防洪主壩控制流域集水面積超過(guò)26 km2，流徑河道全長(zhǎng)為8.9 km，河床坡降呈緩慢過(guò)渡態(tài)勢(shì)，平均坡降為0.0175。沙田水庫(kù)從建設(shè)運(yùn)營(yíng)至今，工作年限超過(guò)60年，目前根據(jù)地區(qū)水資源分布現(xiàn)狀，該水庫(kù)承擔(dān)著灌溉、發(fā)電、防洪排澇等水利作用，為惠州地區(qū)重要綜合功能水庫(kù)。該水庫(kù)樞紐工程包括有防洪主壩、溢洪道、輸水干渠及發(fā)電廠房等，“十二五”期間對(duì)主壩進(jìn)行二次除險(xiǎn)加固時(shí)，升級(jí)防洪標(biāo)準(zhǔn)至百年一遇，正常蓄水位68 m，相應(yīng)庫(kù)容1426.0萬(wàn)m3，枯水季死庫(kù)容為37.6萬(wàn)m3，各水利設(shè)施均采用Ⅲ等設(shè)計(jì)建設(shè)。根據(jù)EI Centro地震波及Taft地震波計(jì)算表明，水工結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)特征值滿足安全允許值。對(duì)沙田水庫(kù)各水利設(shè)施調(diào)查得知，水庫(kù)共有四座副壩，另各有1座主壩與溢洪道，溢洪道位于主壩與一號(hào)副壩之間，為小型水工結(jié)構(gòu)形式，堰頂寬度為19.4 m，采用寬尾墩與挑能坎為聯(lián)合消功結(jié)構(gòu)，下游坎高分布為0.3～0.7 m，寬尾墩位于消能池首，厚度為1.5 m。輸水干渠為沙田水庫(kù)對(duì)下游農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活用水調(diào)度的重要載體，其位于主壩右壩段，干渠總長(zhǎng)為3.5 km，最大輸水流量為5.82 m3/s，下游建設(shè)有支渠與之調(diào)壓塔相連，確保水資源調(diào)度安全。水庫(kù)主壩壩頂高程為74 m，增設(shè)有防浪墻，高度為0.5 m，壩長(zhǎng)為177 m，為均質(zhì)土壩結(jié)構(gòu)形式；四座副壩均為土石壩，堆筑料以粉質(zhì)壤土為主，壓實(shí)度較優(yōu)，壩坡上、下游分別采用混凝土護(hù)坡與金銀花植被生態(tài)護(hù)坡，四座副壩壩頂高程均為74.5 m，頂寬分布為5～7 m，壩頂軸長(zhǎng)度為48～100 m，在各副壩壩腳均設(shè)置有棱體排水，減弱水體沖刷對(duì)壩身影響。在十四五時(shí)期，惠州市考慮針對(duì)沙田水庫(kù)主、副壩運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)其運(yùn)營(yíng)期滲流場(chǎng)開(kāi)展加固處理，故本文前期針對(duì)沙田水庫(kù)壩體流固耦合場(chǎng)下滲流變形特征開(kāi)展分析，為沙田水庫(kù)壩體的防滲加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 建模計(jì)算

為研究沙田水庫(kù)壩體流固耦合場(chǎng)下滲流-變形特征，本文采用AutoBANK開(kāi)展建模計(jì)算[13]，由于該水庫(kù)主副壩結(jié)構(gòu)類(lèi)型相近，且均為土石壩結(jié)構(gòu)類(lèi)型，因而本文只以二號(hào)副壩2K3+125～2K3+425區(qū)段為分析對(duì)象，采用分步分層填筑形式建立該壩體模型。由于壩體模型需要考慮流固耦合場(chǎng)分布特征，因而在考慮土石壩巖土體特性的基礎(chǔ)上，微單元采用E-B模型，而土體滲透特性遵從室內(nèi)實(shí)測(cè)的滲透系數(shù)時(shí)間變化曲線，如圖1所示。

圖1 滲透系數(shù)時(shí)間變化特征

基于AutoBANK數(shù)值網(wǎng)格劃分后，共獲得網(wǎng)格單元8622個(gè)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)有7263個(gè)，壩底視為不透水層邊界條件，且其位移條件設(shè)定為全約束邊界，上、下游壩坡分別設(shè)定為滲流與出逸邊界，壩身輪廓均設(shè)定為滲流邊界末端。本文為研究壩體滲流特征，考慮除險(xiǎn)加固期蓄水過(guò)程中壩體滲流-變形演變特征，且考慮副壩土石壩堆筑料滲透系數(shù)差異性下，其滲流-變形影響特征。因而，除險(xiǎn)加固期設(shè)定有不同施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)，按照施工進(jìn)度分為水位上漲期與運(yùn)營(yíng)期，其中水位上漲期按照每10 m一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，共設(shè)定有7個(gè)節(jié)點(diǎn)，而運(yùn)營(yíng)期為蓄水完成后運(yùn)營(yíng)的第100 d、150 d、200 d、300 d、350 d、400 d、450 d、500 d共8個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，即研究壩體加固運(yùn)營(yíng)過(guò)程14個(gè)時(shí)間序列下滲流-變形特征。壩體滲透系數(shù)影響特性分別設(shè)定有10.0×10-6cm/s、5.0×10-6cm/s、1.0×10-6cm/s、0.5×10-6cm/s、0.1×10-6cm/s共五個(gè)方案。

3 壩體滲流-變形的時(shí)序演化特征

3.1 變形特征

根據(jù)對(duì)不同蓄水期時(shí)間下流固耦合場(chǎng)內(nèi)壩體滲流-變形分析，獲得壩體上、下游水平位移與壩體沉降位移特征，如圖2所示。從圖中可知，三者位移中最大為壩體沉降位移值，其在全過(guò)程中分布為0.38～0.70 m，而壩體上、下游水平位移值較前者分別具有差幅51.3%～87.8%、5.2%～58.3%。從位移時(shí)間序列上演化過(guò)程來(lái)看，沉降位移全過(guò)程均為遞減變化，即隨蓄水期及運(yùn)營(yíng)期，實(shí)質(zhì)上壩體沉降為減小的過(guò)程，這樣反映了壩基為逐步壓實(shí)的過(guò)程。但壩體沉降的遞減過(guò)程可分為三階段，在施工加固蓄水期0～60 d，壩體沉降位移減小態(tài)勢(shì)較弱，40 d、60 d位移值較之蓄水期10 d下分別減少了0.9%、1.9%，隨施工期每10 d增長(zhǎng)，壩體沉降位移平均降幅為0.3%；而在進(jìn)入水庫(kù)運(yùn)營(yíng)期后，沉降位移呈迅速陡降態(tài)勢(shì)，在運(yùn)營(yíng)期100～400 d期間，其位移降幅達(dá)43.6%，每50 d運(yùn)營(yíng)平均可導(dǎo)致位移降幅達(dá)9.4%；而在進(jìn)入運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定期后，沉降位移逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在運(yùn)營(yíng)期400～500 d期間維持在0.38 m左右。

圖2 位移時(shí)序變化特征

壩體上、下游位移發(fā)展態(tài)勢(shì)有所相反的態(tài)勢(shì)，在施工加固蓄水漲幅期0～60 d，上游水平位移為遞減變化，其降幅與沉降位移相近，平均每10 d可引起上游水平位移減少0.8%，但在該階段內(nèi)，下游水平位移呈穩(wěn)定期，維持在0.33 m；進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期后，上、下游水平位移分別呈陡降、陡升態(tài)勢(shì)，每50 d運(yùn)營(yíng)期，分別可導(dǎo)致上、下游水平位移降幅28.7%與增幅9.1%；而進(jìn)入運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定期后，上、下游位移均進(jìn)入平靜狀態(tài)，分別穩(wěn)定為0.05 m、0.60 m。綜上分析可知，流固耦合場(chǎng)下壩體上、下游水平位移發(fā)展態(tài)勢(shì)相反，而上游水平位移發(fā)展態(tài)勢(shì)與沉降位移有所類(lèi)似，沉降位移在施工蓄水期與運(yùn)營(yíng)期全過(guò)程可分為“緩降-速降-平靜”三階段。

3.2 應(yīng)力特征

基于流固耦合場(chǎng)中壩體穩(wěn)定性計(jì)算，獲得壩體大、小主應(yīng)力變化特征，如圖3。從圖中分析可知，大、小主應(yīng)力分布變化特征有所類(lèi)似，均為“穩(wěn)定-緩增-速降-平靜”四階段。在蓄水初期0～20 d，水位漲幅相比較小，水位的變化對(duì)壩體結(jié)構(gòu)主應(yīng)力影響較小，因而大、小主應(yīng)力均為穩(wěn)定狀態(tài)，分別為1.58 MPa、0.90 MPa。隨著蓄水位的增長(zhǎng)，一方面增加了非穩(wěn)定滲流的活躍性，另一方面人工除險(xiǎn)加固施工擾動(dòng)作用，綜合影響壩體結(jié)構(gòu)內(nèi)部靜力場(chǎng)，特別是堆筑料在活躍非穩(wěn)定滲流作用下，其主應(yīng)力會(huì)有一定促進(jìn)作用[14]，因而該階段內(nèi)大、小主應(yīng)力均緩增，在蓄水20～60 d期間內(nèi)，大、小主應(yīng)力的增幅分別為3.2%、11.5%，平均每10 d施工期，可引起兩主應(yīng)力增幅0.8%、2.8%。當(dāng)蓄水期水位達(dá)到目標(biāo)值后，進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期，滲流活動(dòng)趨平靜狀態(tài)，因而主應(yīng)力值均迅速降低，在運(yùn)營(yíng)期60～350 d內(nèi)，大、小主應(yīng)力分別減少了38.6%、39.5%，每50 d運(yùn)營(yíng)期引起了兩主應(yīng)力降幅8.3%、7.1%。在運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定期內(nèi)，兩主應(yīng)力均趨于平靜狀態(tài)，分別為0.95 MPa、0.60 MPa，壩體滲流活動(dòng)處于平靜穩(wěn)態(tài)期，加固后的防滲系統(tǒng)對(duì)滲流活動(dòng)的干擾作用得到體現(xiàn)，壩體主應(yīng)力處于安全狀態(tài)。綜合分析認(rèn)為，壩體靜力場(chǎng)的穩(wěn)定性與防滲體系的建立及發(fā)揮作用具有密切關(guān)聯(lián)性，有效的防滲結(jié)構(gòu)體系有助于限制壩體結(jié)構(gòu)張拉應(yīng)力發(fā)展。

圖3 應(yīng)力時(shí)序變化特征

4 壩體滲流-變形的滲透系數(shù)影響

4.1 位移特征

當(dāng)改變壩體滲透系數(shù)后，壩體流固耦合場(chǎng)內(nèi)位移特征有所差異，圖4為不同滲透系數(shù)下下游水平位移與沉降位移變化特征。

圖4 位移受壩體滲透系數(shù)影響變化

從圖中可知，當(dāng)改變壩體滲透系數(shù)，壩體下游水平位移變化態(tài)勢(shì)無(wú)顯著差別，均為“緩增-陡增-平穩(wěn)”三階段特征，表明壩體滲透系數(shù)對(duì)下游水平位移變化態(tài)勢(shì)影響較小。但當(dāng)受滲透系數(shù)增大，壩體下游水平位移整體水平遞增，如蓄水期30 d時(shí)滲透系數(shù)0.1×10-6cm/s下其位移為0.246 m，而滲透系數(shù)方案為0.5×10-6cm/s、5.0×10-6cm/s下位移值較之分別增大了5.1%、12.8%，在各施工蓄水節(jié)點(diǎn)內(nèi)水平位移的平均增幅為3.3%～4.0%，而在運(yùn)營(yíng)期各節(jié)點(diǎn)上水平位移增幅較大，隨滲透系數(shù)的梯次變化，平均增幅分布為7.6%～12.3%，表明水庫(kù)蓄水期壩體下游水平位移受滲透系數(shù)差異影響更為敏感。

在不同滲透系數(shù)下，壩體沉降位移變化特征基本一致，無(wú)顯著差異性，僅在其進(jìn)入沉降穩(wěn)定期的時(shí)間節(jié)點(diǎn)有所不同，如滲透系數(shù)0.1×10-6cm/s 方案下在運(yùn)營(yíng)期350 d時(shí)沉降穩(wěn)定，而滲透系數(shù)0.5×10-6cm/s、5.0×10-6cm/s方案分別在400 d、500 d 達(dá)到穩(wěn)定，表明滲透系數(shù)愈大，則運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定期壩體沉降位移趨平穩(wěn)更為滯后。對(duì)比沉降位移量值可知，其與壩體滲透系數(shù)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，在沉降陡降期200 d時(shí)滲透系數(shù)0.1×10-6cm/s下沉降位移為0.808 m，而滲透系數(shù)每梯次遞增方案下其沉降平均可減少10.6%，陡降期與穩(wěn)定期沉降位移受滲透系數(shù)的影響幅度基本一致，各時(shí)間節(jié)點(diǎn)處穩(wěn)定在8%～10%。分析認(rèn)為，壩體滲透系不影響沉降與水平位移的發(fā)展態(tài)勢(shì)[15-16]，但對(duì)沉降、水平位移量值分別具有抑制、促進(jìn)作用，且水平位移量值在蓄水期受影響敏感更顯著，而沉降位移量值進(jìn)入穩(wěn)定期的時(shí)間節(jié)點(diǎn)會(huì)滯后。

4.2 應(yīng)力特征

為研究不同滲透系數(shù)下壩體主應(yīng)力影響特征，本文計(jì)算獲得不同滲透系數(shù)下主應(yīng)力變化，如圖5所示。從圖中可知，當(dāng)滲透系數(shù)愈大，則壩體大主應(yīng)力值愈高，而小主應(yīng)力值愈低，如在蓄水期40 d下滲透系數(shù)0.1×10-6cm/s方案處大、小主應(yīng)力分別為1.06 MPa、1.22 MPa，而滲透系數(shù)為1.0×10-6cm/s、10.0×10-6cm/s后，大主應(yīng)力分別增大了7.1%、14.6%，小主應(yīng)力分別降低了11.6%、27.9%。由此可知，土石壩滲透系數(shù)愈高，不利于壩體結(jié)構(gòu)抗拉特性，對(duì)抑制壩體張拉破壞有所負(fù)面作用。

圖5 主應(yīng)力受壩體滲透系數(shù)影響變化

從大、小主應(yīng)力變化特征受影響來(lái)看，整體趨勢(shì)仍具有“穩(wěn)定-緩增-速降-平靜”階段，但各階段變幅有所差異，如滲透系數(shù)增大至10.0×10-6cm/s后，施工初期穩(wěn)定段逐漸與緩增段融合，其增幅也可達(dá)12.7%，而在滲透系數(shù)0.1×10-6cm/s方案下增幅僅為4.0%；同樣在滲透系數(shù)速降段，滲透系數(shù)愈大，則主應(yīng)力降幅愈大，以小主應(yīng)力為例，其在滲透系數(shù)0.1×10-6cm/s 、1.0×10-6cm/s、10.0×10-6cm/s三方案中該階段的降幅分別為16.8%、26.5%、42.5%。由此可知，滲透系數(shù)會(huì)影響蓄水、運(yùn)營(yíng)各階段主應(yīng)力變幅，也會(huì)影響主應(yīng)力量值。

5 結(jié) 論

(1)壩體沉降位移值最大，壩體上、下游水平位移值較前者分別具有差幅51.3%～87.8%、5.2%～58.3%；沉降位移的遞減過(guò)程可分為“蓄水期緩降-運(yùn)營(yíng)期速降-運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定期平靜”三階段，壩體上、下游水平位移發(fā)展態(tài)勢(shì)相反，且上游水平位移變化特征與沉降位移類(lèi)似。

(2)大、小主應(yīng)力全過(guò)程為“穩(wěn)定-緩增-速降-平靜”特征：穩(wěn)定段位于蓄水初期0～20 d，大、小主應(yīng)力分別為1.58 MPa、0.90 MPa，蓄水20～60 d期間內(nèi)，主應(yīng)力均緩增，增幅分別為3.2%、11.5%，運(yùn)營(yíng)期60～350 d內(nèi)，主應(yīng)力發(fā)生速降，分別減少了38.6%、39.5%，運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定期兩主應(yīng)力達(dá)到平靜期，分別為0.95 MPa、0.60 MPa。

(3)壩體滲透系數(shù)增大，流固耦合場(chǎng)水平位移變化態(tài)勢(shì)無(wú)影響，但下游整體水平位移遞增，尤以蓄水期水平位移受影響更顯著；滲透系數(shù)愈大，壩體沉降位移愈小，且進(jìn)入穩(wěn)定期更滯后。

(4)滲透系數(shù)愈大，壩體大、小主應(yīng)力變化態(tài)勢(shì)基本仍具四階段特性，而其量值分別呈遞增、遞減變化，且各階段主應(yīng)力變幅均會(huì)減小。