渗流应力耦合作用下重力坝深层抗滑稳定分析

(阜新蒙古族自治县凌河保护区管理局，辽宁 阜新 123100)

渗流应力耦合作用下重力坝深层抗滑稳定分析

曹娜

(阜新蒙古族自治县凌河保护区管理局，辽宁 阜新 123100)

重力坝坝基岩体中包含软弱结构面和性质复杂、方向各异的裂隙，在外力作用下易形成滑移通路，导致大坝稳定性遭到破坏，对人民生命财产安全造成严重威胁。本文以白石水库重力坝溢流坝段为例，采用弹塑性有限元强度折减法，通过ANSYS有限元软件对渗流应力耦合作用下抗滑稳定安全系数和坝基坝体应力应变进行研究，进而分析渗流应力耦合作用对重力坝深层抗滑稳定的影响。研究表明：渗流应力耦合场作用下重力坝抗滑稳定安全系数小于单一应力场；渗流应力耦合场作用下，白石水库重力坝抗滑稳定安全系数为2.4。研究成果可为重力坝深层抗滑稳定数值模拟提供工程依据，具有重要的现实意义。

重力坝；深层抗滑稳定；分析

近年来，重力坝应用越来越广。因重力坝坝基岩体中包含软弱结构面和性质复杂、方向各异的裂隙，在外力作用下易形成滑移通路[1]，导致大坝稳定性遭到破坏，对人民生命财产安全造成严重威胁。因此，重力坝安全稳定性分析、研究尤为重要。本文以白石水库重力坝溢流坝段为例，采用弹塑性有限元强度折减法，通过ANSYS有限元软件对渗流应力耦合作用下抗滑稳定安全系数和坝基坝体应力应变进行研究，进而分析渗流应力耦合作用对重力坝深层抗滑稳定的影响。

1 工程概况

白石水库地处锦州、阜新、朝阳三市中心地带，控制流域面积18350km2，水库大坝为混凝土重力坝，坝顶长513.25m，坝高50.31m，总库容18.21亿m3。白石水库是一座以供水、灌溉、防洪为主，兼顾养殖、发电、观光旅游的大型水库。

2 计算模型与参数

2.1 有限元基本方程

透水介质中载荷由静水压力和渗透体积力表示，渗流场的分布与荷载的大小紧密相连。对于岩体，根据水力学理论，水力梯度与作用在介质上的渗流体积力呈正比关系，渗流体积力转化为结点荷载，可进行应力场分析。应变的分布改变了渗流场中孔洞的分布，决定了渗流介质的渗透系数大小。将渗流场下应力场基本方程与应力场下稳定渗流场基本方程结合，根据初始条件和边界条件进行渗流应力耦合场的计算：

(1)

(2)

2.2 模型参数

模型采用 PLANE55 单元，设定为平面单元，对二维平面热传导进行计算，非线性稳态流动通过多孔渗流介质进行模拟，进而实现稳态的分析。渗流场的渗透系数由热传导系数表示，温度表示渗流的水压力。渗流场中质量流率条件通过热流动条件施加，水压力荷载通过温度条件施加。选取溢流坝段进行分析，坝高38.30m，坝基以坝踵为原点，竖直方向选取90m深，上、下游分别选取90m、130m长坝基，坝踵点竖直向下1.2m、4m、6m 处存在泥岩软弱夹层。计算模型如图1所示。

图1 计算模型

2.3 网格划分及边界条件

模型中坝体为混凝土材料，对模型网格化，共划分为83919个单元。模型下游水位为0m，下游坝基边界和下游坝体边界和施加水头值为0；上游水位为38.30m，上游坝基边界和上游坝体边界水头值为38.30m。对未施加水头值和坝基底部的其余边界，施加质量流率值为0。重力坝部分位置材料属性见表1。

设计导入期的目的，一是稳定基线，二是洗脱药物。14项研究中有6项（42.86%）设计了导入期，时长1～4周。其中1周1项，2周2项，4周3项。随访目的为观察腹痛的复发率。14项研究中10项设计了4周～6个月随访。其中，4周5项（35.71%），8周3项（21.43%），12周及6月各1项（各占7.14%）。

表1 重力坝部分位置材料属性

3 渗流应力耦合作用分析

3.1 扬压力和应力场分析

将水头值作用于应力场，计算得到渗流系数，迭代计算出渗流应力耦合作用下的水头值，对坝底进行路径操作，将坝底各节点计算值映射到路径上，应力场对渗流场的影响主要反映在水头值计算结果，坝底各路径点水头值见表2。可以看出，坝底各路径点上水头值变化不大，表明应力场对渗流场的影响较小。

表2 重力坝坝底路径点水头值 单位： m

渗流应力耦合计算收敛后，将渗流压力施加到应力场中，进行渗流应力耦合条件下应力场的求解。可以看出，渗流应力耦合条件下，坝趾和坝踵应力与单一应力场作用相比作用范围更广，数值变化较大，表明渗流场对应力场的影响较大。

3.2 水库重力坝稳定分析

采用强度折减法对白石水库重力坝进行稳定计算，在基底部边界施加X和Y方向全位移约束，在坝基上下游边界施加X方向位移约束。在上游水压力荷载不变条件下，采用荷载步进行强度折减，逐步折减计算软弱夹层的内摩擦角和黏聚力。对于重力坝深层抗滑稳定有限元研究的失稳判定依据主要包括关键点位移突变、坝基塑性区贯通以及有限元迭代不收敛、滑动面上下层位移错动以及累计迭代次数激增，对渗流应力耦合场作用下的重力坝安全系数进行分析。

a. 有限元迭代不收敛。将折减系数设计为5，共设置24个荷载步，经计算，有限元迭代至第20荷载步时不收敛，19荷载步对应的安全系数为3.80；采用刚体极限平衡双斜面稳定计算得到安全系数为3，有限元迭代不收敛对应的安全系数严重偏大，两者相差较大，不予采用。

b. 坝基塑性区贯通。强度折减系数与坝基塑性区发展的关系如图2所示，可以看出，Ks=1时坝基未进行强度折减时，第一层软弱夹层已与踵处塑性区相贯通。随着Ks的继续增加，坝踵塑性区范围有所扩展，但范围较小。随着折减系数的继续增大，塑性区不断发展，Ks=3.40时，形成滑移通路，坝趾处塑性区贯通。因此，判定相应的安全系数为3.4。

图2 等效塑性应力

c. 关键点位移突变。分别选取三个关键点，包括坝趾、坝踵以及坝顶，进行关键点位移突变分析，坝趾、坝踵以及坝顶的水平方向位移对折减系数的影响如图 3 所示。分析可知，在折减系数Ks≥2.40时，关键点水平位移曲线产生拐点，斜率明显增大。表明当折减系数大于2.40时，坝趾、坝踵以及坝顶关键点的水平位移急剧变化，即该判定条件下对应的安全系数为2.40。

图3 关键点水平位移曲线

d. 滑动面上下层位移错动。该工程重力坝存在软弱夹层，对第一层软弱夹层上下位移的差值进行分析，软弱夹层上下位移差值曲线如图4所示。分析可知，当折减系数Ks≥2.40时，第一层软弱夹层上下位移差值曲线斜率增大，出现明显拐点，表明当折减系数大于2.40时，重力坝产生深层滑动，第一层软弱夹层发生上下错动。因此，重力坝深层抗滑稳定安全系数为2.40。

e. 累计迭代次数激增。对不同折减系数下ANSYS迭代次数进行纪录，得到累计迭代次数曲线，如图5所示。分析可知，当折减系数Ks≥2.40时出现拐点，迭代次数急剧增加，累计迭代次数曲线斜率明显增大。

图5 累计迭代次数曲线

综上所述，在渗流应力耦合场作用下，推断白石水库重力坝溢流坝段的深层抗滑稳定安全系数为2.40。在不同判断依据条件下，对渗流应力耦合作用重力坝安全系数进行汇总，见表3。

表3 重力坝安全系数分析

4 结 论

本文以白石水库重力坝溢流坝段为例，采用弹塑性有限元强度折减法，通过ANSYS有限元软件对渗流应力耦合作用下抗滑稳定安全系数和坝基坝体应力应变进行研究，进而分析渗流应力耦合作用对重力坝深层抗滑稳定的影响，得出以下结论：

a. 应力场对渗流场的影响较小，坝底各路径点上水头值变化不大；渗流场对应力场的影响较大，渗流应力耦合条件下，坝趾和坝踵应力与单一应力场作用相比作用范围更广，数值变化较大。

b. 在渗流应力耦合场作用下，有限元迭代不收敛、坝基塑性区贯通、关键点位移突变、滑动面上下层位移错动以及累计迭代次数激增判断依据条件下，白石水库重力坝溢流坝段的深层抗滑稳定安全系数分别为3.8°、3.4°、2.4°、2.4°、2.4°。

c. 渗流应力耦合场作用下重力坝抗滑稳定安全系数小于单一应力场；渗流应力耦合场作用下，白石水库重力坝抗滑稳定安全系数为2.40。

[1] 刘洋. 高重力坝底孔坝段有限元静动力分析研究[J]. 中国水能及电气化, 2010(9): 39-44.

[2] 康锋, 陶春洁, 李志强. 水位降落期堤防上游边坡抗滑稳定初步研究[J]. 水利建设与管理, 2016(5): 22-24.

[3] 刘爽, 任青文, 李强, 等. 弹塑性有限元强度储备法在渗流应力耦合分析中的应用研究[J]. 力学季刊, 2011(2): 147-152.

[4] 于沭, 陈祖煜, 贾志欣, 等. 向家坝水电站坝基深层抗滑稳定性的流固耦合分析[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 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