考虑时间效应的地基水荷载对大坝位移的影响.pdf

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1、第32卷第1期人民黄河Vo1．32．No．12010年1月YELLOWRIVERJan．，2010【水利水电工程】考虑时间效应的地基水荷载对大坝位移的影响黄耀英，沈振中，田斌(1．三峡大学土木水电学院，湖北宜昌443002；2．河海大学水利水电工程学院，江苏南京210024)摘要：基于等效介质模型研究了饱和地基非稳定渗流对混凝土坝位移的影响，对比分析了不同地基渗透系数以及坝基帷幕排水等因素对大坝位移的影响。结果表明：岩基内的水头随时间而变，初期变化较大，后期变化较小；岩基渗透系数减小，水头趋于稳

2、定的时间更长；大坝的位移在蓄水初期变化较大，蓄水后期变化较小，随着地基渗流场趋于稳定，坝顶相对基点的水平位移逐渐增大，上游地基的沉降逐渐减小，下游地基上抬逐渐增大，随着地基渗透系数减小，大坝位移趋于稳定的时间更长。关键词：时间效应；非稳定渗流；饱和地基；混凝土坝中图分类号：TV223．6文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．O1．049混凝土和岩体都是透水性材料，大坝建成蓄水运行一段时式中：ⅣE为单兀总数；Ⅳ、为单兀形函数；g为流量边界厂2间后，在坝体

3、及坝基内形成稳定渗流后，作用在坝体和岩体上上的单宽流量。的水荷载应按渗流体积力计算。混凝土坝虽然透水，但因其通过上述非稳定渗流分析可得到各时刻节点的水头值，则渗透系数很小，且坝身一般设置有排水管幕等，水力梯度非常单元水头函数圩(，y，z)便已知。此时单元内任意点的渗透压大，故通常近似按不透水介质处理。，此时坝体上游面作用力为有水压力，而作用在地基上的水荷载一般按渗流体荷载考虑。p(x，y，)=[H(，y，z)一](3)有关学者分析了稳定渗流场下渗流体荷载对大坝位移和应力单元单位体积的渗流体积力分

4、别为的影响，实际工程中，渗流水在地基孔隙中渗流存在的时一间过程总是滞后于上游水位的变化。据此，笔者基于等效介质模型，研究了考虑时间效应的地基水荷载对混凝土坝位移一(4)的影响。{：一12Oz1基本原理将式(4)代入式(3)，并对单元体积进行积分，可以得到单元总渗流体积力JP、P为考虑介质和水体压缩性的饱和地基非稳定渗流微分方程为：一，，J=d(差)一Q=s警(1){一d(5)式中：为总水头；为饱和渗透系数张量；Q为源汇项；s为单【：一，，dV+位贮存量；t为水的渗流时问。应用Galerkin加权

5、余量法，由式(1)可推导出饱和地基非式中：V为单元的体积，为单元的浮力项。稳定渗流场有限元矩阵方程“：2算例分析]⋯+]}}：{P}(2)某混凝土重力坝位于均质地基上，坝高100nl，上游水深其中90m，下游无水。混凝土弹性模量为20GPa，泊松比为0．2，地=NE耋弘警d收稿日期：2009—01-20基金项目：国家自然科学基金资助项目(50679036)；三峡大学基金资助项目[B]：sⅣnⅣ(2o08A0o7．2008B(J41)。作者简介：黄耀英(1977一)，男，湖南郴州人，副教授，博士，

6、主要从事大坝安全{P}=(皿ⅣQ

7、30d内水头仅变化0．4O6m。工况2渗透系数小，t=150d时，基的变形和应力场。计算地基渗流场时，假设坝体不透水，岩基点水头为51．185m，仍未达到稳定水头53．864m。工况3在基上下游侧面、底部和坝基面为不透水边界。计算大坝变形和坝踵附近设置帷幕排水，渗流达到稳定时，基点水头为47．099应力场时，上下游、左右侧面施加连杆约束，地基底部为完全位m，较工况1基点水头低6．765m。移约束。(2)大坝在水荷载作用下的水平位移和垂直位移随时问2．1工况设计而变化。t=0d时，作用在地基上的水

8、荷载为作用在地基表面为便于对比分析，进行了如下3种工况的计算：工况1，地的水压力，其引起坝顶相对基点的水平位移为10．655mm；t=基渗透系数为5×10～m／s，单位贮存量为5×10。m～；工况1d时，作用在地基上的水荷载为作用在地基内的渗流体积力，其引起坝顶相对基点的水平位移为15．737mm；t：10d时，作2，地基渗透系数为1×10I”m／s，单位贮存量为5X10m～；用在地基上的水荷载为作用在地基内的渗流体积力，该渗流体工况3，地基渗透系数为5×10I¨m／s，单位贮存量为5×10积力