赵 巍，牟 宏

(大庆市松嫩工程管理处，黑龙江 大庆 163311)



深厚覆盖层地基非稳定渗流场与应力场耦合分析研究

赵 巍，牟 宏

(大庆市松嫩工程管理处，黑龙江 大庆 163311)

在深厚覆盖层地基的基础上筑建大坝，坝体与坝基的稳定性至关重要，其评价指标之一是渗流场与应力场的相互作用及影响。这种复杂地基的岩体力学特征单一且不稳定，相互影响表现在应力场改变渗流场的渗透系数，反之渗流场改变应力场的空间分布。文章假定地基为连续介质，在多孔连续介质渗流与应力相互耦合的理论基础上，分析研究二者之间的相互作用，并开发适用于此地基的渗流场与应力场耦合的有限元计算程序，应用于工程实例中，所得计算结果及结论在实际工程中具有一定的指导意义。

深厚覆盖层；地基；非稳定渗流场；应力场；耦合

1 绪 论

2 三维非稳定渗流场与应力场计算模型

2.1 应力场影响下的非稳定渗流场计算模型

在多数工程实际的渗流研究中，渗流运动一般在多孔岩土介质中多有出现，多数产生于上下面存在水头差的情况下，这样导致的水体的渗流运动中，介质外界作用力来源于渗流带来的体积力和动水压力，作用力直接影响介质的应力场，而造成介质位移场的相应变化。现目前在国内对多孔岩土介质进行应力场受力分析时，绝大多数忽略渗流场带来的影响，同时将渗流作用下水体的变化作用常当做静水压力来分析。一般情况下，假定外界环境没有变化，渗流场与渗透体积力的的分布呈线性分布关系，二者的变化一一对应。

三维连续介质应力场作用的非稳定渗流场模型为[2]：

(1)

式中：h为水头分布函数；Ω为渗流自由面下的坝基范围；k各向同性的渗透系数，表达式如下：

(2)

式中：Γ1为水头边界；Γ2为流量边界；Γ3为渗流自由面边界；n2为Γ2法线方向，n3为Γ3法线方向。

2.2 渗流场影响下的应力场计算模型

因此，在高岩温发电引水隧洞结构设计中，可定性发现在施工期，高岩温对发电引水隧洞支护结构由于热胀效应而形成压应力；在运行期，围岩和运行低水温形成内外高温差荷载效应，会造成支护结构应力改变；而在检修期，支护结构温度回升又重新变成压应力状态。由此分析发现，初始围岩温度和运行水温是构成高岩温发电引水隧洞荷载条件的主要内容，国内虽开展了围岩内的温度场分布规律及其影响因素[13-15]的研究，但均缺乏从开挖、养护和运行全过程的温度响应分析。因此有必要开展高岩温发电引水隧洞支护结构全过程温度场分析，探讨不同初始岩温的温度场的分布规律，为高岩温发电引水隧洞结构分析奠定基础。

在坝体的应力研究中，因渗流场产生的渗透压力作用于岩体和土体介质，作用力导致介质应力场和位移场出现变化，反之介质应力场的改变使渗流特性发生相应变化，如介质的体积应变、孔隙率；基于多孔介质的渗透系数受孔隙率变化的影响，渗透系数的改变导致渗透性能的改变，进而影响到介质的渗流场和渗流分布规律。应力场对渗流场的作用机理：应力场对介质中体积应变、孔隙率的改变直接影响到孔隙的分布情况，进而使土体介质的渗透性发生变化，影响到渗流场的分布。

同样可得出三维连续介质渗流场影响下应力场的计算模型为[3]：

(3)

式(1)和(3)合并后得出深厚覆盖层地基介质非稳定渗流场与应力场相互耦合的计算模型。

3 工程实例

某面板堆石坝坝址处于西南地区的金沙江支流上，坝基为砂砾石层的深厚覆盖层地基，坝体最大坝高45m，正常蓄水时上游水位高度40m，下游水位高度10m，坝基深厚覆盖层70m[4]，渗流量过坝体流量远小于坝基，假定坝体渗流不计入大坝的渗流场进行计算。文章分析采取10m大坝段进行渗流场与应力场耦合计算。坐标系：X轴由左岸指向右岸为正，Y轴由顺河向上游指向下游为正，Z轴为竖直向上为正。计算时考虑的荷载：大坝自重、静水压力、渗透水压力、深厚覆盖层自重，不考虑浪压力、扬压力等动水荷载。计算模型选取：沿上游坝基向上游取50m，同时沿下游坝趾取50m，计算模型的有限元单元选取八结点正六面体等参单元，共剖分生成450个节点，192个单元[5]。坝体最大纵剖面示意图和有限元网格剖见图1和图2。

图1 坝体及覆盖层坝基剖面示意图

图2 有限元网格剖分图

坝体材料、深厚覆盖层坝基的物理力学参数[7]见表1。

表1 坝体及覆盖层坝基物理力学参数

3.1 边界条件

在耦合计算时，需得到初始渗流场的应用条件，这部分在稳定渗流场的前提下计算。该面板堆石坝坝基非稳定渗流场和应力场边界条件[6]：

渗流场边界条件：

水头边界条件已知：H|ABB′A′=35m；H|CDD′C′=5m。

流量边界条件已知：QAEE′A′=QEFF′E′=QDFF′D′=0。

应力场边界条件：

定义y向位移v|AEE′A′=v|DFF′D′=0;z向位移W|EFF′E′=0。定义贮存系数Ss=6.8×10-5。

3.2 计算结果

文章分析深厚覆盖层地基面板堆石坝非稳定渗流场与应力场的耦合，基于连续介质的特点编写计算程序进行计算。定义上游水位高度下降速度0.5m/d，下游水位保持不变，主要从不考虑和考虑耦合作用两个方面，分别得出上游水位变化过程中坝基水头、各向应力分布的分布图[8]。

图3-4分别为初始时刻不考虑耦合作用与考虑耦合作用下覆盖层坝基渗流场计算结果及分布图(取x=5.0m纵剖面上的坝基水头分布)

图3 初始时刻不考虑耦合作用坝基水头等值线分布图

图4 初始时刻考虑耦合作用坝基水头等值分布线

图5-10分别为不考虑耦合作用和考虑耦合作用时应力场中应力分量σy、σz、τyz等值线分布图，应力场取x=7.68m纵剖面上的应力分布。(定义压应力为负，拉应力为正)。

图5 不考虑耦合作用坝基应力

图6 考虑耦合作用坝基应力场中应力分量

图7 不考虑耦合作用应力场中应力分量

图8 考虑耦合作用应力场中应力分量

图9 不考虑耦合作用应力场中应力分量

图10 考虑耦合作用应力场中应力分量

3.3 计算结果分析

计算结果分析由2部分组成：

3.3.1 渗流场计算结果分析

从图示渗流场分布计算结果可得出，覆盖层地基渗流场中考虑耦合的渗透系数明显比不考虑耦合作用的水头值大，其值表现为在初始时刻，不考虑耦合作用的坝基渗流量是4.43×10-4m3/s，考虑耦合作用的渗流量为4.12×10-4m3/s，足以证明耦合作用机理在坝体安全分析中的重要性。数值上的差异原因是在于耦合作用下，水压力和渗透力共同作用下土体产生应力变形，介质孔隙率变小，渗透系数减小，进而过坝基的渗流性能下降[8]。但通过图示发现即使坝基渗流量相对下降，但总体的渗流量数值依然很大，反应了深厚覆盖层地基是一种强透水地基，在坝体的控制设计中对防渗处理应极为重视；坝基中的上游扬压力明显增大分析原因是在耦合作用下上游水头抬高所致。

3.3.2 应力场计算结果分析

从图示应力场分布计算结果可得出，上游水位的变化对覆盖层地基中应力场分布影响效应不大。两种考量结果下计算得出的各个应力分量等值线分布区别不大，最大的不同地方在于耦合作用后，土体介质在水压力和渗透力的共同作用下，坝基的垂直位移变化值增大，各个应力分量均比未考虑耦合作用下的应力值增大。足以得见，假如在不考虑渗流应力二场耦合作用下坝体处于稳定状态，实际很有可能坝体整体还是不稳定的。

通过对渗流场和应力场计算结果对比可以得出：河谷深厚覆盖层是一种强透水地基形式，当考虑耦合作用时，介质孔隙率变小和渗透性下降导致过坝基的渗流量下降；大坝上游水位下降时，深厚覆盖层内部水头明显滞后，此效应在耦合作用下更加突出；水位下降越大效应越明显。

4 结 论

基于土体多孔介质的渗流场与应力场耦合作用机理，在三维非稳定渗流场的基本方程和定解条件基础上，建立三维模型，并编制渗流场与应力场耦合作用的的有限元计算机程序，应用于工程实际，对建于深厚覆盖层地基上的面板堆石坝进行计算，计算结果表明深厚覆盖层地基这种强透水地基的渗流量明显，必须重视防渗体系的建立。文章的研究成果对此类工程的设计施工具有一定的参考价值。

[1]陈海军，任光明，聂德新．河谷深厚覆盖层工程地质特性及其评价方法[J]．地质灾害与环境保护，1996，7(04)：12-19.

[2]仵彦卿，张卓元.岩体水力学导论[M].成都：西南交通大学出版社，1995：23-41.

[3]柴军瑞.论连续介质渗流与非连续介质渗流[J].红水河，2002，21(01)：43-45.

[4]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社，1998：15-21.

[5]陆丽．深覆盖层地基土石坝渗流场与应力场的耦合分析[D]．西安：西安理工大学学位论文，2007.

[6]黄运飞，冯静.计算工程地质学[M].北京：兵工业出版社，1992：46-47.

[7]杨志锡．各向异性饱和土体的渗流耦合分析和数值模拟[J]．岩石力学与工程学报，2002，21(10)：1447-1451.

[8]王晓鸿，仵彦卿．渗流场一应力场耦合分析[J]．勘察科学技术，1998(04)：3-6.

Coupling Analysis and Research of Unsteady Seepage Field and Stress Field on Deep Overlying Stratum

ZHAO Wei and MU Hong

(Daqing Urban Songnen Project Management Department, Daqing 163311, China)

To construct dams on deep overlying stratum, the stability of dam body and dam foundation is very important, one of the evaluation indexes is interaction and effect between the seepage field and stress field. The rock mass mechanical characteristics of the complex foundation is single and unsteady, their mutual effect shows that the stress field changes the seepage coefficient of seepage field, on the contrary, the seepage field changes the special distribution of stress field. It is assumed that the foundation is continuous media in this paper, the interaction between both is analyzed and researched based on porous continuous media seepage and stress inter-coupling, to develop a finite element calculation program suitable for the seepage field and stress coupling field on the foundation and to be applied in the project cases, the results and conclusion will have guiding meanings for the engineering examples.

deep overlying stratum; foundation; unsteady seepage field; stress field; coupling

1007-7596(2017)05-0032-04

2017-04-20

赵巍(1980-)，女，黑龙江大庆人，助理工程师；牟宏(1991-)，女，黑龙江大庆人，助理工程师。

TV223.4

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