三維有限元分析在大壩滲流場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用

三維有限元分析在大壩滲流場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用

1大壩開裂模擬金鳳水庫位于湖南省岳陽市附近，距岳陽市約20公里。該項(xiàng)目于1993年8月開始，并于1994年8月完成和實(shí)施。金鳳水庫工程包括主水庫、輔助水庫和引水孔，水庫總面積14200公頃。主水庫是一座粘土心墻水庫，最大水庫高30.3米，最大高差72.8米，庫的軸線長(zhǎng)350米，庫的寬度為8米。副水庫是粘土心水庫，最大水庫高26.0m，水庫軸線長(zhǎng)120m，水庫寬7.3m。當(dāng)金鳳水庫的主要和輔助水庫達(dá)到正常水位70.0m時(shí)，水庫下游的高度散去，水庫下游的坡度上出現(xiàn)了5條19.0m長(zhǎng)的斜坡裂縫，頂部呈現(xiàn)出與水庫軸線平行的垂直裂縫。為了弄清大壩開裂的原因,本文利用下游壩坡散浸痕跡記錄和壩頂、壩坡裂縫記錄以及在壩體中進(jìn)行的地質(zhì)勘探資料,首先對(duì)大壩的最高斷面進(jìn)行滲流有限元計(jì)算,獲得金鳳水庫大壩的滲流場(chǎng);在此基礎(chǔ)上對(duì)大壩進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算,獲得大壩的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),從拉應(yīng)力區(qū)域判斷開裂位置,結(jié)果表明和實(shí)際的開裂位置是吻合的;進(jìn)一步用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算了壩坡的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),表明大壩處于臨界滑動(dòng)狀態(tài),大壩頂部的開裂正是壩坡滑動(dòng)的征兆.所有這些計(jì)算分析結(jié)果為大壩的除險(xiǎn)加固提供了可靠的理論依據(jù).2壩殼地基充填材料圖1是最大壩高斷面圖.大壩為心墻壩,根據(jù)地質(zhì)勘探資料,心墻土料為磚紅色-暗紅色的粉質(zhì)粘土和含少量礫的粉質(zhì)粘土,其顆粒組成的平均百分比為:礫石0.55%,砂粒5.53%,粉粒49.42%,粘粒44.5%.值得注意的是在高程65m以上位置,填土松散,取樣試驗(yàn)和注水試驗(yàn)表明,該層的滲透系數(shù)比較大.壩殼材料為礫質(zhì)粉質(zhì)粘土,為黃灰色、灰綠色的弱-微風(fēng)化或新鮮的千枚狀泥板巖、絹云母板巖、砂質(zhì)板巖塊石、碎石夾粘土,據(jù)下游壩殼鉆孔取樣顆粒分析成果,其顆粒組成的平均值為:礫石10.875%,砂粒10.375%.粉粒45.25%,粘粒33.50%.經(jīng)過取樣發(fā)現(xiàn),泥板巖遇水泥化,其泥化過程可以使壩殼材料的滲透性降低.壩基礎(chǔ)為巖石基礎(chǔ),在壩基面以下15m范圍內(nèi),由于裂隙切割,巖石的滲透性比較大.由現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)獲得的各部位土料平均滲透系數(shù)為:心墻土±5.0×10-7m/s,在65.0m高程以上滲透系數(shù)的平均值K=2.11×10-5m/s;壩殼土6.0×10-6m/s;壩基巖石±5.0×10-6m/s.在正常水位情況下,在圖1所示的剖面內(nèi)的下游壩面散浸高程為58m.壩頂裂縫在截面中的位置見圖1,全長(zhǎng)215m,表面張開,裂縫寬一般4～5cm,最大寬度10cm,呈鋸齒狀,經(jīng)開挖證實(shí),裂縫向深部偏下游方向延伸(即裂縫向下傾斜),傾斜角為65°～70°,上寬下窄,最大可見深度達(dá)3.8m.在下游壩面上,在54.00m平臺(tái)到70.00m高程范圍內(nèi)分布有5條簸箕狀裂縫,在圖1剖面中的位置高程約為65.0m.裂縫的特點(diǎn)是:①在地表均呈弧形分布,最大弧線長(zhǎng)度105m,最小弧線長(zhǎng)度20m.②裂縫面均向下游傾斜,傾斜角度,陡坡處為60°～70°,向深部?jī)A角變小.裂縫表面張開并向深部尖滅,為滑移拉張型.5條裂縫形成屬于同一原因,即壩坡向下游位移張拉所形成.除了裂縫以外,在下游壩坡面上沒有明顯的滑移痕跡.3不劃分單元?jiǎng)澐钟捎诖髩卧谡Ｋ恍纬闪朔€(wěn)定滲流場(chǎng),且在下游面上有散浸痕跡記錄,因此對(duì)該水位情況下的滲流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算.正常水位70.0m,相應(yīng)下游無水.用有限元方法進(jìn)行平面滲流計(jì)算,有限元滲流計(jì)算的基本理論參見文獻(xiàn),在此不再贅述.因?yàn)橄掠闻潘w堵塞情況不清楚,在計(jì)算中不考慮排水體堵塞的影響,按完全透水情況考慮,具體在計(jì)算中可以有兩種處理方法:一種是對(duì)堆石體不劃分單元,即堆石體完全透水;另一種是劃分單元,但給堆石體賦予相對(duì)大的滲透系數(shù).本文采用了第一種方式模擬排水體的作用.圖2為正常水位時(shí)最高斷面的滲流水頭等值線圖.從圖2中可以看到,斷面滲流浸潤(rùn)線位置高,盡管大壩下游有排水堆石體起到排水作用,但在下游壩面照樣產(chǎn)生散浸.這和實(shí)際情況基本符合.上述計(jì)算沒有考慮堆石體的排水堵塞效應(yīng),若在計(jì)算中考慮堆石體的排水堵塞效應(yīng),則下游散浸位置會(huì)更高.計(jì)算得到的散浸高程在55.5m左右,和實(shí)際情況比較,計(jì)算結(jié)果比實(shí)際情況要低一些,實(shí)際情況中水頭相對(duì)高一些,其原因很可能是由于排水體部分堵塞而導(dǎo)致浸潤(rùn)線位置的提高.從計(jì)算結(jié)果的情況來看,造成滲流高位散浸的原因主要有兩個(gè)方面:一是心墻在65.0m高程以上位置的滲透性比較大形成了較強(qiáng)的高位滲流通道,二是由于下游壩殼中泥板巖泥化,使得壩殼滲透性降低,下游排水不暢,相應(yīng)下游浸潤(rùn)線位置抬高,在下游壩坡面上形成高位散浸.在上述正常水位工況下,該斷面內(nèi)在下游壩坡面散浸位置的最大滲透坡降為0.585.大壩土體的允許滲透坡降為0.55,兩者對(duì)比,下游壩體不能滿足抗?jié)B穩(wěn)定要求,會(huì)引起流土破壞.4大壩變形的假設(shè)為了進(jìn)一步了解壩坡和壩頂開裂的原因,對(duì)大壩進(jìn)行應(yīng)力和變形的分析是完全必要的.采用彈塑性有限元進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算網(wǎng)格和滲流計(jì)算網(wǎng)格完全相同.由于堆石體位置在壩趾位置,變形小,且范圍不大,不考慮它的變形只對(duì)局部有影響,因此在計(jì)算中不考慮堆石體的變形,在計(jì)算中的處理方式是在大壩和堆石體的交界面的位置,即有限元網(wǎng)格的邊界節(jié)點(diǎn)用鏈桿約束處理.一般來說,在土壩基礎(chǔ)中,巖石的變形很小,可以忽略不計(jì),在計(jì)算中的處理方式是:賦予巖石相對(duì)很大的彈性模量.在計(jì)算中也不考慮巖基的破壞.這樣處理實(shí)際上基本忽略了巖石地基的變形和破壞.因?yàn)闆]有大壩的沉降觀測(cè)資料,因此在計(jì)算中作了一些簡(jiǎn)化假定:由于在開裂發(fā)生時(shí),大壩已經(jīng)運(yùn)行了一年多,因此假定大壩主要的沉降變形基本結(jié)束,在計(jì)算中不考慮大壩的沉降變形.具體在計(jì)算中的處理方法是:首先只考慮大壩的自重作用,在自重作用下,大壩產(chǎn)生變形,形成初始應(yīng)力場(chǎng);然后考慮大壩在滲透力和浮托力作用下的變形和應(yīng)力場(chǎng),與初始應(yīng)力場(chǎng)疊加,得到大壩內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng),但位移場(chǎng)不作疊加.圖3為滲透力和浮力作用下大壩的位移矢量分布圖,圖4為大壩的最大主應(yīng)力等值線分布圖.在計(jì)算中,土體材料用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則模擬,在拉應(yīng)力區(qū)部分沒有切除.從計(jì)算結(jié)果來看,壩坡沒有進(jìn)入剪切屈服,即沒有形成明顯的滑移面,這和壩坡中沒有發(fā)現(xiàn)滑移痕跡是吻合的.從圖3可以看到,下游壩坡在54.0m高程以上具有較大的位移,表明該部分土體具有相對(duì)于其他壩體部分的較大的滑動(dòng)位移.從圖4可以看到,在壩頂下游側(cè)和下游壩坡60.0m高程附近有大于10kPa的拉應(yīng)力.因?yàn)闆]有切除摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則拉應(yīng)力區(qū)部分,因此拉應(yīng)力沒有轉(zhuǎn)移掉,相應(yīng)沒有跟蹤開裂過程,但拉應(yīng)力區(qū)的存在已經(jīng)足于說明問題,因?yàn)閷?duì)于土來說,土沒有抗拉能力,圖4中的拉應(yīng)力區(qū)表示該兩區(qū)域?qū)a(chǎn)生開裂.將計(jì)算結(jié)果對(duì)比大壩中的實(shí)際開裂情況,壩頂?shù)拈_裂區(qū)比較吻合,但在下游壩坡上的開裂區(qū)比實(shí)際的開裂位置低,其中的主要原因是前面計(jì)算的滲流散浸位置比實(shí)際的位置低,相應(yīng)的開裂位置也就低一些,但總的來說,計(jì)算結(jié)果和實(shí)際的情況是基本吻合的.5壩面滑移分析為了進(jìn)一步弄清壩坡的穩(wěn)定狀況,采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算壩坡穩(wěn)定安全系數(shù),因?yàn)檫@是常規(guī)的計(jì)算方法,其基本理論和方法已經(jīng)為大家所熟悉,所以在此不贅述.在正常水位情況下,下游壩坡的安全系數(shù)為:瑞典圓弧滑動(dòng)法0.997,簡(jiǎn)化的畢肖普法1.045.圖5給出正常水位時(shí)下游壩坡最危險(xiǎn)滑弧圖.從計(jì)算結(jié)果可以看到,下游壩坡安全系數(shù)很小,大壩已經(jīng)處于臨界滑動(dòng)狀態(tài).分析上述計(jì)算結(jié)果,以及和實(shí)際散浸和開裂情況對(duì)比,可以看到:由于大壩心墻存在大的滲透特性區(qū)域,形成高位滲流通道以及壩殼材料中存在遇水泥化的板巖,壩殼土料的滲透性下降,使得下游壩殼中的浸潤(rùn)線抬高,在下游壩面形成高位散浸.由于滲透力的作用,下游壩坡變形加大,從滲透坡降來看,下游壩坡面滲流逸出位置的滲透坡降大于土體的容許滲透坡降,在下游壩坡形成流土破壞,在應(yīng)力場(chǎng)中表現(xiàn)為拉應(yīng)力區(qū),因此下游壩面的裂縫是土體發(fā)生流土破壞產(chǎn)生的.因?yàn)橛?jì)算中下游壩坡沒有出現(xiàn)塑性滑移,大壩穩(wěn)定安全系數(shù)接近1,實(shí)際情況中下游壩坡也沒有明顯的滑出痕跡,因此可以判斷大壩應(yīng)處于臨界滑動(dòng)狀態(tài).由于壩坡處于臨界滑動(dòng)狀態(tài),在壩頂位置形成拉應(yīng)力區(qū),壩頂出現(xiàn)大壩滑移前的滑坡裂縫.上述計(jì)算分析結(jié)果弄清了大壩高位散浸和下游壩面和壩頂?shù)拈_裂原因,為下一步的除險(xiǎn)加固指明了方向,需要從提高心墻的防滲能力和提高下游壩坡的抗滑穩(wěn)定兩方面做工作.6壩體防滲體缺陷造成壩坡滲流場(chǎng)及其壩坡面出現(xiàn)裂縫,存在一些從上述金鳳大壩的計(jì)算分析結(jié)果,可以得出如下結(jié)論:(1)上述滲流計(jì)算和應(yīng)力變形計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際的觀測(cè)結(jié)果是基本符合的,說明計(jì)算結(jié)果可以用來解釋大壩的高位散浸和開裂原因.(2)應(yīng)該充分重視大壩防滲體的施工質(zhì)量,即使在較高位置的缺陷仍然對(duì)大壩的防滲穩(wěn)定和壩坡穩(wěn)定具有很大