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　　　　　　　　　　　　　　　　　17

[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,