张俊嵩，缪慧丽，吕高峰

(1.江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200；2.国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州 311122)

丹巴闸坝覆盖层基础应变和渗流有限元计算分析

张俊嵩1，缪慧丽1，吕高峰2

(1.江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200；2.国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州 311122)

丹巴闸坝工程拟修建在深覆盖层上，深覆盖层基础的变形和渗流稳定对工程影响很大.设计过程中采用三维有限元建立模型，对覆盖层基础的应力变形和渗流场进行计算.通过计算得出：(1)设计方案基础沉降变形在20 cm以内，顺河向位移在13 cm以内，变形整体不大；(2)蓄水后孔隙水压力增大使有效应力减小，基础沉降变形及大、小主应力均有明显减小；(3)深入基岩的防渗墙能起到很好的防渗作用，保证覆盖层的渗流稳定.

覆盖层；应力变形；渗流；有限元

1 工程概况

丹巴闸坝深覆盖层上计划新建一闸坝工程，该工程在横河向总长为351 m，设计闸高为43 m.该工程从左到右依次为左岸混凝土坝、冲沙闸、泄洪闸、右岸混凝土坝、鱼道和右岸心墙坝.其中土石坝与右岸混凝土坝两者的连接形式为堆石扇形体[1-2].该闸坝横河向布置(见图1).

图1 闸坝横河向建筑物布置图

基础的沉降变形是水闸设计的重要控制指标，为有效控制基础的沉降变形，闸坝和混凝土重力坝基础计划挖除覆盖层中的第④和⑤层，然后回填级配良好的石渣料，并在表面20 m深范围内进行固结灌浆.根据设计方案，建立三维有限元模型，计算覆盖层基础沉降变形，为工程设计提供参考.

2 计算理论

2.1 邓肯—张E—B非线性弹性模型

覆盖层和回填材料都运用邓肯—张E—B非线性弹性模型[3-6]，采用增量形式的本构关系如下

{Δσ}=[D]{Δε}

(1)

式中，[D]是刚度矩阵，其表达式如下：

(2)

其中，切线弹性模量Et和切线体积模量Bt的计算公式如下：

(3)

(4)

式中：K—切线模量基数；pa—单位大气压力；

n—切线模量指数；Rf—破坏比；

S—应力水平；Kb—体积模量数；

m—无量纲系数.

2.2 渗流场基本方程和定解条件

非稳定渗流场和稳定渗流场的表达式[7-9]见式(5)和式(6)所示：

(5)

(6)

式中：kx，ky，kz—渗透系数在三个渗透方向上的主渗透系数；

ρ—水的密度;g—重力加速度；

Γ，Γw—土体和水的体积压缩模量；

n—孔隙率；Ss—贮水率.

为求解上述方程，需要确定定解条件，其中包括初始条件和边界条件.初始条件是指时间t=0时的渗流场的分布：h(x,y,z,t|t=0=f0(x,y,z,0).边界条件可分成三类：第一类边界条件是定水头边界条件；第二类边界条件是给定流量边界；第三类边界条件是混合边界条件.

3 计算模型和参数

为有效计算覆盖层基本和防渗墙的变形，建模范围在顺河向包括坝轴线上游240 m到坝轴线下游380 m，全长620 m；在竖直方向，从山顶2 020 m高程到基岩1 760 m高程，高差260 m；在坝轴向包含坝体的351 m和两岸山体的49 m，坝轴向长400 m.模型共划分为93 659个单元，99 630个节点.该工程三维有限元网格(见图2).

图2 闸坝工程三维有限元网格

为更准确地计算覆盖层基础的沉降，混凝土材料等线弹性材料与覆盖层非线性弹性材料之间设置Goodman无厚度接触面单元，接缝位置设置缝单元，在水闸剖面Goodman接触面单元和缝单元典型设置(见图3).

覆盖层和回填材料都使用邓肯—张E—B模型，覆盖层(①～⑤层，其中①为最底层)材料参数(见表1).混凝土材料的弹性模量都取为28 GPa，泊松比为0.167，基岩(含两岸山体)的弹性模量取16 GPa，泊松比为0.2，混凝土材料何基岩的渗透系数均取10-7cm/s.接触面单元参数取常用的大渡河上瀑布沟心墙堆石坝中的接触面参数，取为：K1=2 500；n=0.66，Rf=0.74，δ=35°.

图3 丹巴闸坝工程典型断面网格图

坝料种类渗透系数/(cm/s)容重ρ/(g/cm3)初试摩擦角φ0/°摩擦角参数Δφ/°切线模量基数K切线模量指数n破坏比Rf体积模量Kb模量指数m第①层5×10-32.142510000.250.755000.27第②层10-41.662432300.450.861300.28第③层10-22.2551.07.4931.60.360.65354.20.37第④层10-41.5039.64.1116.00.570.6234.50.56第⑤层10-12.1445.14.5529.00.420.67219.90.38崩坡积体10-22.1245.75.8303.10.420.56105.10.48回填区5×10-32.3361.514.22052.30.260.551311.10.15

4 计算结果分析

4.1 基础变形

图4、图5分别是竣工期和蓄水期闸右0+75剖面覆盖层基础变形、应力等值线图.表2、表3分别为竣工期和蓄水期闸右0+75剖面覆盖层基础的最大变形和应力值.由图表可知：

(1)竣工期地基变形以沉降为主，水平位移较小，其中最大沉降为19.87 cm，发生在闸底板下面，主要受到闸自身重力的影响.竣工期最大顺河向位移分别为3.89 cm(上游向)和1.63 cm(下游向)，基本以闸室位置为中心向上下游分布.蓄水后地基顺河向位移增加明显，最大值为12.97 cm(下游向)，由于孔隙水压力增大使有效应力减小而导致地基产生回弹变形，沉降有所减小，其中最大沉降为16.71 cm.

(2)地基底部应力大于上部应力，下游闸室以下地基应力大于上游地基应力.竣工期地基底部大主应力和小主应力最大值分别为2.4 MPa和1.32 MPa，蓄水后地基底部大主应力和小主应力最大值分别为2.30 MPa和1.24 MPa，大、小主应力均有所减小，主要因孔隙水压力增大使有效应力减小.

图4 闸右0+75剖面覆盖层基础变形等值线图

图5 闸右0+75剖面覆盖层基础蓄水期应力等值线图

工况顺河向水平位移/cm上游下游沉降/cm竣工期-3.891.63-19.87蓄水期012.97-16.71

表3 闸右0+75剖面覆盖层基础应力最大值

图6、图7分别是竣工期和蓄水期闸下0+14剖面覆盖层基础变形、应力等值线图.表4、表5为竣工期和蓄水期闸下0+14剖面覆盖层基础的最大变形和应力值.由图表可知：

(1)竣工期地基变形以沉降为主，水平位移较小，其中最大沉降为15.95 cm，发生在重力坝段；顺河向位移基本朝上游，最大值为3.50 cm(上游侧)；由于左岸地基条件较差，坝轴向位移基本整体朝左岸，最大值为1.84 cm.相对于沉降，坝轴向和顺河向位移可不作考虑.蓄水后沉降和顺河向位移增大，其中由于水压力作用在防渗墙上，水平向位移增大显著，最大值为10.41 cm(下游向)；由于蓄水后孔隙水压力的增大，覆盖层土体及基岩出现了略微回弹，沉降值略有减小，最大沉降值为14.45 cm，也是出现在重力坝段以下.

(2)竣工期大、小主应力极值分别为2.8 MPa和1.5 MPa，其分布规律基本沿深度方向依次增大.蓄水后地基底部大主应力和小主应力最大值分别为2.70 MPa和1.42 MPa，大、小主应力均有所减小.

图6 闸下0+14剖面覆盖层基础竣工期和蓄水期变形等值线图

图7 闸下0+14剖面覆盖层基础蓄水期应力等值线图

工况顺河向水平位移/cm上游下游沉降/cm竣工期-3.500.30-15.95蓄水期0.1010.41-14.45

表5 闸下0+14剖面覆盖层基础应力最大值

4.2 基础渗流

图8是闸右0+75剖面覆盖层基础渗压水位等值线图.由图可知，渗压水头等值线都集中在防渗上，深入基岩的防渗墙能起到良好的防渗效果.覆盖层内的渗透坡降均小于运行渗透坡降，满足渗流稳定的要求.

图8 闸右0+75剖面覆盖层基础渗压水位等值线图

5 结 论

本文以丹巴闸坝覆盖层上的闸坝工程为例，根据设计方案建立三维有限元网格模型，分别计算其应力场和渗流场，通过计算得出：(1)根据设计方案，覆盖层基础沉降变形整体不大，典型断面沉降位移在20 cm以内，顺河向位移在13 cm以内；(2)蓄水后，孔隙水压力增大，有效应力减小，基础沉降变形及大、小主应力均有明显减小；(3)深入基岩的防渗墙能起到很好的防渗作用，覆盖层内的渗透坡降均小于运行渗透坡降，满足渗流稳定的要求.

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FiniteElementCalculationandAnalysisofStressDeformationandSeepageofOverburdeninDanbaDam

ZHANG Jun-song1, MIAO Hui-li1, LYU Gao-feng2

(1.Jangsu Water Conservancy Administrative Office, Yangzhou 225200, China; 2.Large DamSafety Supervision Center, National Energy Administration，Hangzhou 311122, China)

The deformation and seepage stability of deep overburden foundation have great influence on a gate dam. Three dimensional finite element model is used in the design process to calculate the stress and deformation of the overburden foundation and the seepage field. The calculation result shows: (1) foundation settlement is less than 20 cm as design plan, and displacement along river within 13 cm, therefore, the deformation is small; (2) after the impoundment, the increasing of pore water pressure decreased the effective stress, foundation settlement as well as major and minor principal stress were significantly reduced; (3) cutoff wall has good anti-seepage effect which ensures the seepage stability of overburden.

overburden; stress and deformation; seepage; FEM

2016-08-17

张俊嵩(1985-)，男，江苏扬州人，硕士，工程师，主要从事水闸工程技术管理、建筑物设施观测和工程维修养护工作.

TV698

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1008-536X(2016)12-0029-05