郑 昊

(黑龙江省胖头泡蓄滞洪区管理中心，黑龙江 大庆 16300)

0 前 言

在大坝渗漏造成的安全事故中，库水位急剧升降变化所带来的非稳定渗流问题占比最大，其中水位骤降期占60%，水位上升期占40%，多数发生于初期蓄水期间。坝体破坏通常由岩土体的渗流场和应力场的作用关系决定，两场的平衡作用使得坝体处于耦合平衡状态，渗流场下的稳定应力场和应力场下的稳定渗流场分析，对土石坝耦合分析的原理探索和模型研究意义非凡[1]。故在大坝设计时，需考虑大坝及坝基、坝肩岩土体的渗流与变形、应力的相互作用，文章主要通过库水位上升对坝坡稳定性、结构孔隙水压力的变化，计算得出大坝上游水位变化过程内的大坝稳定性，定量分析两场耦合在坝体安全形态研究中的必要性。

1 有限元分析原理

饱和-非饱和渗流问题可根据Galerkin法得出详细推导过程，其计算过程包括：

1)定义试探函数为近似解。

2)写出加权余量方程。

3)基于格林原理对二次微分式优化。

4)代入试探函数和边界条件后进行渗透矩阵组合。

5)形成参数矩阵[2]。

单元形式组成的参数矩阵为：

(1)

数值积分后表达式如下：

(2)

文章通过SEEP渗流程序进行后差分法迭代计算，其方式为设置迭代次数和容许误差来控制运算结果。设定离散的较小单元尺寸和时间步长，使得结果快速收敛，且误差较小。通过收敛后的节点水头值可计算孔隙水压力、总水头和渗流速度。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水利枢纽工程规模为大(1)型，工程效益为供水为主，发电及灌溉为辅的不完全调节水库。该水库总库容12.46亿m3，电站装机260mw，拦水坝为黏土心墙坝，正常蓄水位995.0m，设计洪水位为998m，死水位964m，最大坝高为108m，顶约长362m[3],上游坝坡为1∶2.5，下游坝坡为1∶1.7，大坝剖面图如图1所示。

图1 某大坝典型断面剖面图

2.2 初始条件和边界条件

2.2.1 初始条件

设置以上、下游水位964m、914.3m的稳定渗流场为初始渗流场，以同水位高程的稳定应力场为初始应力场。

2.2.2 边界条件

1)水头边界：地基上、下游侧面和底面为零流量边界，坝体下游面高程914.3m设8.3m的定水头边界，坝体上游面设水头函数，使库水位分别不同速度均匀上升至正常蓄水位[4]。

2)应力边界条件：坝基处为X、Y方向的位移约束，在坝体底部及覆盖层的顺河流方向设X方向的约束、Y方向自由。

2.3 计算结果

设定库水位以1m/d,2 m/d,4m/d的速度从964m上升至995m，进行渗流场和应力场的耦合与否情况研究。水位上升工况见表1。

2.3.1 渗流场变化

历时0d可得初始时刻下的渗流场，根据模拟得出库水位上升的渗流场结果。如图2和图3分别为历时7d，水位以1m/d和4m/d上升的总水头分布结果。图4为历时7d时的水位以1m/d速度上升时孔隙水压分布结果图。由于篇幅受限，本位只取典型图示结果进行说明。

(a)非耦合情况下历时7d的总水头(v=1m/d)

(b)(b)耦合情况下历时7d的总水头(v=1m/d)

(a)非耦合情况下历时7d的总水头(v=4m/d)

(b)耦合情况下历时7d的总水头(v=4m/d)

(a)非耦合情况下历时7d孔隙水压力(v=4m/d)

(b)耦合情况下历时7d孔隙水压力(v=4m/d)

由图可知，因坝壳料渗透系数>心墙料，库水位不同速率上升，坝壳料内浸润线和库水位升降一致，滞后作用不突出，而黏土心墙的渗透性较低，浸润线随时间历程产生较为显著的滞后性。水位上升速度越大，滞后性越突出。浸润线以下的上游坝壳及坝基，耦合时的总水头和孔隙水压力相比非耦合的结果偏小。

2.3.2 位移场变化

耦合与否的大坝位移变化结果如图5-图7所示。

图5 耦合与否的库水位不同速率上升大坝X向位移最小值结果

图6 耦合与否的库水位不同速率上升大坝X向位移最大值结果

图7 耦合与否的库水位不同速率上升大坝最大沉降量结果

由图可知，大坝X向最小位移出现于上游堆石区。随着水位不断上升，水平位移变化逐渐降低，随时间历程至大坝变形稳定后，位移值趋于定值；位移减小速率于库水位上升速率呈线性关系，水位上升速度越快，变形同步趋于稳定值。耦合工况与非耦合相比，位移值基本相同。从X向最大位移值结果中可知，库水位下降时的坝体下游水平位移增大到定值不再变化，耦合时的水平位移>非耦合工况。

从累积沉降量结果可知，上游水位上升时，耦合工况的坝体累积沉降量逐渐降低至一定值，速率越大，沉降量越快达到最小值。非耦合工况时，沉降量先降低至定值后，出现一定的反弹。总体耦合的累积沉降量<非耦合，位移变化均来自水位改变后的孔隙水压力消散作用。

2.3.3 应力场变化

耦合与非耦合情况的大、小主应力结果云图见图8-图9。

(a)非耦合情况下历时0d有效大主应力分布图(v=4m/d)

(b)耦合情况下历时0d有效大主应力分布图(v=4m/d)

(a)非耦合情况下历时0d有效小主应力分布图(v=4m/d)

(b)耦合情况下历时0d有效小主应力分布图(v=4m/d)

从图中可看出历时0d，耦合前后的应力场基本相同，应力场分布规律大体相似。耦合后大坝心墙底部应力减小。随上游水位上升，二者的有效应力差值变化明显，前者较小。非耦合时的大坝有效应力值不断增大，耦合时的大坝有效应力呈现先降后增的趋势，且随坝体深度呈线性变化关系，耦合后的渗流场因孔隙水压力作用明显，心墙底部的有效应力降低，易在坝内出现拱效应，水位速度越快，拱效应越明显。

3 结 论

文章基于某黏土心墙坝的地质条件和力学参数，建立渗流场与应力场耦合的三维有限元模型，计算库水位不同速度上升的渗流场、位移场与应力场分布结果，与非耦合时的单场结果对比分析。综合认为，库水位不同速度上升时，大坝安全系数降低，浸润线变化较为明显，且耦合作用的总水头和孔隙水压力相比非耦合数值偏小、位移与应力结果更贴合实际。