心墙土石坝瞬态渗流及稳定分析.pdf

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1、李赞等：心墙土石坝瞬态渗流及稳定分析141DOI：10．13905／j，enki．dwjz．2016．02．048心墙土石坝瞬态渗流及稳定分析李赞，张立翔(昆明理工大学建筑工程学院。昆明650500)【摘要】以某粘土心墙土石坝为分析对象，建立坝体二维模型，考虑在水位下降过程中的瞬态渗流情况，利用有限元法计算坝体内瞬态情况下的应力、变形，从而进行在瞬态情况下的边坡稳定计算。计算结果表明，当坝体处于瞬态情况时，坝体内的应力、变形较为正常，上下游边坡稳定。【关键词】土石坝；水位下降；应力一变形；边坡稳定【中图分类号】TU

2、413．6【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2016)02—0141—03在实际工程中土石坝失事概率最大的原因就是权余量的伽辽金方法，得到二维渗流方程：由于渗流破坏引起的。由于水的渗流作用会使土体J([曰]EC][B])datH}+fJ(A)dL4{日JAJA饱和度增加，非饱和区域的基质吸力降低，从而增加边坡失稳的可能。特别是在水位变化的情况时，坝体t=qff((Ⅳ))皿JA内由于水位突然的升降，会使土体内存在着较大的渗式中，[B]为梯度矩阵；[c]为单元渗透系数矩流应力，从而更容易造成边

3、坡土体的破坏。阵；{圳为节点水头向量；(Ⅳ)为插值函数向量；g为随着研究规模的发展和问题形式的复杂，特别是穿过单元边界的单位流量；r为单元厚度；t为时间；A随着计算机规模的扩大，对于大规模和复杂边界问题为存储项，对瞬态顺流等于m；A为单元面积；为的数值模拟分析得以实现。彭华等提出非饱和土单元长度。的有限元分析法。O．C．Zienkiewiz等提出有限单元适(2)边坡稳定分析。计算饱和．非饱和土体时，用于所有可按变分形式进行计算的场问题，为其方法大多数认为孔隙气压力为零。当用到时，认为孔隙在渗流领域非应用提供了理论基

4、础，Clough和Wood—水压力为负值，即为基质吸力，材料处于非饱和区域。ward在1960年首先用它来分析土石坝。Neuman当用到时，则认为孔隙水压力为正，处于饱和区域。提出了把非饱和状态统一考虑，连续求解的的数值方非饱和土的下滑剪应力可以写成如下方程：法。Wang和Narasimhan研究了裂缝性多孑L介质非．饱和渗流。Doughty等对多种背景条件下的土中饱sm=昔(c+(一Ua)tamp+(M一M)tamp)和一非饱和渗流进行了研究总结。(2)1计算理论在滑动体条块底面上的法向力为：(1)非饱和稳定渗流

5、分析。对控制方程应用加+(XL—)一三堡墅I_±皇兰(_二_b_)-—兰+。i∞Ⅳ=(3)对于整个滑动体上的安全系数如下式所示：∑(⋯'／3s+[N—ub—(一)]tan⋯)⋯‘Nsin+kW—DCOS±A，．式中，为土条的总重力；Ⅳ为每一条块上作用总垂直距离；A为合成外部水压力；∞为点荷载的水平夹的方向力；Is为每一条块底部上作用下滑力；E为条块角；为条块中心切线与水平面的夹角。间水平法向力；为条块间竖向剪力；D为外加荷载2计算算例线；R为圆弧滑动面的半径为法向力矩旋转中心；该心墙坝体材料，如表1所示。有限元计算

6、模型为条块力矩中心水平距离；e为条块力矩中心垂直距根据设计所提供图纸，选取坝体最大坝高断面的剖面离；d为荷载到力矩中心垂直距离；为条块中心到几建立分析模型如图1所示。模型采用平面四边形单元何上最高距离；a为合成外部水压力线到旋转中心的划分，得到有限元分析模型节点总数为15966个节点，l42低温建筑技术2016年第2期(总第212期)单元总数为15771，模型为土石坝在稳定渗流情况下，位下降的1．25d、2．25d、3．75d、4．5d、5．625d以及最后坝体材料在非饱和渗流过程的稳定分析，模型底部边第lO00d

7、的压力水头等值线图。界设置为零流量边界。表1坝体材料参数图2所示为坝体典型横剖面分区图。在计算过程中采用模拟分层填筑施工加载过程，总共分为42层填筑加载，第一层为坝基覆盖层，不考虑在自重作用下的变形，以后每层逐层加载直至填筑完成。3心墙土石坝有限元结果分析(1)坝体渗流分析。图3一图8中的等值线是在上游水位下降工况时的压力水头随着时间的变化，压力水头变化过程的等值线。由于上游水位下降时的速度达到8．9m／d，下降水位的速度较快，水位下降时间较短，因此为了更好的体现坝体内渗流发展的历程，本文在研究水位下降压力水头的变

8、化时，选取水图I有限元网格图图2剖面图图3125d~K力水头【单位：11)图42．25d压力水头(单位：Il1)图53．75a／~Jj水头(单位：m)图64．5黝水头(单位：m)图75．625d压力水头(单位：m)图8xoooa~水头(单位：m)从图3一图7可知，水位在6．2d内已经下降至死孔隙水还是滞留在开始稳定渗流时的状态，这是因为水位，坝体内渗流线进水