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1考虑渗流-应力耦合的坝体与防渗墙相互作用的数值模拟2015年9月20日江西省水利科学研究院汇报人：高江林博士高级工程师2目录1、概述2、封闭式防渗墙与坝体相互作用的数值模拟方法3、相互作用规律4、防渗墙的应力变形分析5、坝体防渗墙对坝坡稳定的影响分析6、结论1、概述•问题的提出（研究背景）•国内外研究现状本项目主要工作•混凝土防渗墙在水利水电工程中得到广泛应用1.1工程背景1、概述防渗墙心墙斜墙防渗墙心墙--防渗墙斜墙--防渗墙•在当前国内大规模实施的土石坝除险加固工程建设中，混凝土防渗墙成为坝体防渗处理的最主要措施，对于坝基覆盖层厚度不大的土石坝大多数采用了心墙式防渗墙（封闭式坝体防渗墙）。1.1工程背景外铺盖--防渗墙心墙式--防渗墙斜墙防渗墙防渗墙1.1工程背景泥浆固壁成槽坝顶开挖的墙体•防渗墙是坝体防渗体系的重要组成，一直是国内外学者研究的重点和热点。•防渗墙属于隐蔽工程，影响因素众多，防渗墙研究又具有复杂性。因此，针对不同工程问题、应用领域、影响因素及研究方法等方面仍有很多需要进一步研究的问题。1.2研究背景1、概述根据国内外研究现状，目前关于防渗墙研究存在以下问题：在新一轮的土石坝除险加固工程建设中，坝体异常变形和滑坡等工程问题时有发生。目前针对土石坝加固工程中增建混凝土防渗墙承载性状的研究很少。（主要集中在深厚覆盖层中的坝基防渗墙及新建土石围堰中的防渗墙）关于防渗墙应力（与坝体相互作用）的研究方法中，很少考虑渗流与应力耦合作用。关于增建的坝体防渗墙对坝坡稳定的影响相关研究很少。1.2研究背景坝体与防渗墙的相互作用研究•针对土石坝加固工程中增建防渗墙的情况，研究防渗墙与坝体相互作用的数值模拟方法。研究土石坝加固工程中防渗墙与坝体的相互作用机理，并分析不同条件下的防渗墙的应力变形、影响因素及适用性。在对比分析增建防渗墙前后坝体应力场和渗流场变化的基础上，研究防渗墙对坝坡稳定的影响机理和规律。1.3主要工作1、概述•本项目研究内容对于防渗墙与坝体相互作用的研究方法、加固工程中坝体防渗墙的设计应用和坝体变形监测分析等具有一定的参考意义。2、相互作用分析的数值模拟方法相互作用的有限元模拟关键处理好三个方面的计算：2.1初始应力的计算2.2渗流与应力耦合分析2.3墙-土相互作用的模拟11实际工程条件：（1）坝体土固结对墙体应力的影响基本可以忽略。（2）防渗墙施工时一般为空库状态，且多为水下浇筑混凝土成墙。2、数值模拟方法2.1初始应力的计算＊因此，防渗墙与坝体相互作用分析的初始应力计算时，不考虑防渗墙与坝体土的接触，否则会导致墙体应力偏大。＊初始应力平衡。12计算域内的渗流场与应力场耦合计算需同时满足应力平衡方程和渗流连续方程。2、数值模拟方法2.2渗流与应力耦合计算应力平衡方程：渗流连续方程：13接触模拟（法向和切向作用）2、数值模拟方法2.3墙-土接触模拟法向作用模型：采用硬接触。硬接触中压力与间隙的关系14接触模拟（法向和切向作用）2.3、接触模拟切向作用模型：库仑摩擦模型。接触对的摩擦行为15渗流模拟2、数值模拟方法2.3墙-土接触模拟ABAQUS中提供的接触对还满足以下渗流条件：（1）孔压在接触对应的实体上完全联系，pA-pB=0；（2）接触面的切线方向无流体流动；（3）接触面压力为有效压力，不含孔隙水压力的作用。接触面单元渗流模式163、防渗墙与坝体相互作用规律●为突出规律，以不透水岩基上的土石坝为例。分析内容包括：3.1初始应力平衡计算3.2坝体应力场（及渗流对应力的影响）3.3坝体渗流场（及应力对渗流的影响）3.4墙体应力（及耦合作用的影响）173、相互作用研究有限元网格图●不透水地基上的均质土坝，坝高30.0m，防渗墙自坝顶嵌入基岩，墙厚0.6m，正常蓄水位25.0m。计算模型183、相互作用研究计算参数●土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，墙体材料为刚性混凝土，采用线弹性模型。计算参数表193.1初始应力平衡计算3、相互作用研究●初始应力平衡计算时是否考虑墙-土接触时墙体应力的比较不考虑接触时的墙体应力考虑接触时的墙体应力203、相互作用研究●初始应力平衡计算结果平衡前坝体竖向应力图平衡前坝体位移平衡后坝体竖向应力图平衡后坝体位移213.2坝体应力场3、相互作用研究●是否考虑坝体渗流耦合的坝体竖向应力分布竖向应力（耦合）竖向应力（不考虑坝体内渗流荷载）两者分布规律区别明显。考虑耦合时，整体上墙后土体有效应力明显大于墙前土体。引起墙体向下游变形的主要作用来自于孔隙水压力。223.3坝体渗流场3、相互作用研究●耦合计算出的坝体孔压分布坝体孔压分布防渗墙具有明显的截渗作用，墙体前后相差12.5m。233.3坝体渗流场●理论公式计算渗流计算图理论公式计算的墙体前后相差13.0m，与前者基本吻合。243.3坝体渗流场●应力对渗流的影响渗透系数与孔隙率关系式应力作用下孔隙比变化范围为0.993~1.003，影响较小。孔隙比变化253.4墙体应力与弯矩3、相互作用研究●墙体承载性状墙体竖向应力分布防渗墙主要承受中下部向下游方向的水平荷载作用，主要由孔隙水压力引起。墙体弯矩分布263.4墙体应力与弯矩●不考虑渗流时的墙体应力与弯矩墙体竖向应力分布不考虑渗流时墙体应力明显偏小。简单忽略渗流影响的墙体应力计算结果偏于不安全。墙体弯矩分布27主要研究不同条件下的墙体应力变形情况及其适用性4、封闭式坝体防渗墙的应力变形分析（1）墙体混凝土弹模（2）坝体填筑材料弹模（3）坝基透水性28计算模型4、应力变形研究一般地基上土石坝中的防渗墙，坝高30.0m，入岩0.5m，墙深35.5m，墙厚0.6m，覆盖层厚5.0m，正常蓄水位25.0m，下游水位为坝脚位置29计算参数4、应力变形研究部分材料有限元计算参数表304.1混凝土弹模对墙体应力变形的影响4、应力变形研究鉴于墙体破坏由拉应力控制，拉应力和压应力具有相关性，列出不同混凝土弹模时的墙体最大主应力（拉应力）和水平位移分布。混凝土弹性模量分别取为：2.5×104MPa、2.0×104MPa、1500MPa和500MPa。墙体应力随弹模增大而增大，刚性墙远大于塑性墙，且易超出墙体材料极限值。因此实际工程中有必要对墙体弹性模量进行控制。将弹模上限值与抗压强度、渗透系数同时作用墙体材料的质量控制指标。314.1混凝土弹模的影响不同混凝土弹模时墙体水平位移大小相当，分布规律基本一致。墙体混凝土弹模对墙体变形影响不大。墙体位移墙体位移324.2坝体土弹模对墙体应力变形的影响4、应力变形研究坝体土模量分别取为：10MPa、50MPa、100MPa、300MPa、600MPa。刚性混凝土：2.0×104MPa；塑性混凝土：500MPa.刚性混凝土墙塑性混凝土墙土体弹模小时，墙体应力较大。对于不同坝体填筑材料，塑性墙具有更好的适用性。334.2坝体土弹模的影响墙体位移刚性混凝土墙塑性混凝土墙不同坝体土弹模时刚性和塑性混凝土墙变形差别不大。344.3坝基透水性对墙体应力变形的影响4、应力变形研究坝基渗透系数分别为：1.0×10-4cm/s、1.0×10-5cm/s、1.0×10-6cm/s。刚性混凝土墙塑性混凝土墙不同坝基透水率时刚性墙最大拉影响相差约2倍。主要是由于作用水头的不同。坝基透水率与墙体应力存在矛盾关系，塑性墙更适合。。354.3坝基透水率的影响墙体前后水头差Kr=1.0×10-6cm/s不同坝基透水率墙体前后水头差分布为12.5m、9.5m、7.3m。Kr=1.0×10-5cm/s（1~3Lu）Kr=1.0×10-4cm/s（4~5Lu）364.3坝基透水率的影响墙体位移刚性混凝土墙塑性混凝土墙位移表现规律体现水头差的区别。37►防渗墙对坝体渗流场及应力场的影响►防渗墙对上、下游坝坡稳定的影响5、坝体防渗墙对坝坡稳定的影响分析38►计算模型4、应力变形研究一般地基上土石坝中的防渗墙，坝高30.0m，入岩0.5m，墙深35.5m，墙厚0.6m，覆盖层厚5.0m，正常蓄水位25.0m，下游水位为坝脚位置39►计算模型5坝坡稳定影响研究建设防渗墙前的有限元网格图建设防渗墙后的有限元网格图40►建设防渗墙前后的渗流场5坝坡稳定影响研究5.1防渗墙对坝体渗流场和应力场的影响截渗作用明显，墙前浸润线抬高2.6m，墙后降低4.8m。41►建设防渗墙前后的应力场5.1坝体应力场的影响应力分布规律区别明显，大小差别不大，尤其是对坝坡稳定更为敏感的中上部土体。建防渗墙前的坝体部分竖向应力建防渗墙后的坝体部分竖向应力应力分布规律区别明显，大小差别不大，尤其是对坝坡稳定更为敏感的中上部土体。42►下游坝坡5.2建设防渗墙前的坝坡稳定情况计算不收敛时的坝体位移Fs=1.32顶点位移-折减系数曲线Fs=1.31坝体塑性区Fs=1.3143►上游坝坡5.2建设防渗墙前的坝坡稳定情况计算不收敛时的坝体位移Fs=2.11顶点位移-折减系数曲线Fs=2.07坝体塑性区Fs=2.0844►下游坝坡5.3建设防渗墙后的坝坡稳定情况计算不收敛时的坝体位移Fs=1.44顶点位移-折减系数曲线Fs=1.43坝体塑性区Fs=1.4445►上游坝坡5.3建设防渗墙后的坝坡稳定情况计算不收敛时的坝体位移Fs=2.03顶点位移-折减系数曲线Fs=2.01坝体塑性区Fs=2.0246◆建设防渗墙后上游坝坡安全系数降低，下游坝坡稳定安全系数增加，与浸润线的抬高和降低有关。◆正常蓄水工况下，均为下游坝坡稳定安全系数小于上游坝坡。整体上建设防渗墙后安全系数提高。◆由于浸润线抬高或降低直接影响坝坡稳定安全系数减小和提高，建设防渗墙对骤降工况下的上游坝坡稳定影响更明显，最小值约1.3。◆三种失稳判据所确定的计算结果基本一致►建设防渗墙前后的坝坡稳定安全系数5.4坝坡稳定的影响47（1）所采用的同时考虑墙-土接触、渗流-应力耦合共同作用的数值模拟方法，能够较好的实现土石坝加固工程中防渗墙与坝体相互作用的分析计算。（2）正常蓄水工况下，封闭式坝体防渗墙主要承受墙体前后水头差引起的水平荷载作用。刚性墙以拉应力为主，而塑性墙则整体处于受压状态，几乎不承受弯矩作用。（4）混凝土弹模对墙体应力影响明显。在实际工程建设中应增加对墙体混凝土弹模的上限控制。坝基透水率对墙体应力变形的影响同样明显，主要体现为水平荷载的不同。（5）由于墙体前后浸润线的变化，增建防渗墙后上游坝坡稳定安全系数减小，下游增加。6、结论48谢谢！敬请各位专家批评指正。