基于有限元分析的均质土坝渗控研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER118第 40卷第 4期基于有限元分析的均质土坝渗控研究林庆勇（封开县水利水电工程质量监督站，广东 封开 526500）摘要：均质土填筑坝应设计成具有相对平坦的斜坡，以降低破坏的风险。由于天然土壤的不均匀性和边界条件的变化，实际渗流问题很难转化为等效的数值问题。排水系统的功能至关重要，因为它可以改变潜水面并确保下游的安全。提出使用有限元方法对考虑土坝渗流和稳定性的分析结果进行研究。渗流分析可分为稳态分析和瞬态分析两类。基于参数敏感性分析，渗流和稳定性研究都表明考虑耦合效应对土坝整体稳定性至关重要。研究结果表明，耦合分析是土坝设计和性能评估中渗流和稳定性考虑的必要条件。坝体下游和上游均采用了12.5的坡度。对于满水库和低水库条件，安全系数（FS）均大于1.6，但对于其他稳定性考虑，发现FS值小于规定值。结果表明，基于有限元分析的均质土坝渗控研究是有效的方法。通过有限元分析，可以对土坝的渗流行为和稳定性进行详细分析，从而指导渗控治理措施的制定和实施。此研究结果对于提高库区渗控的效果和水工工程的安全性具有重要意义。关键词：有限元分析；渗控研究；渗流；稳定性；耦合分析中图分类号：TV698.1+2文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)04-0118-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.04.028Research on Seepage Control of Homogeneous Earth Dams Based on Finite Element AnalysisLIN Qingyong(Fengkai County Water Resources and Hydropower Engineering Quality Supervision Station,Fengkai 526500,China)Abstract:Homogeneous soil fill dams should be designed with relatively flat slopes to reduce the risk of failure.Due to the non-uniformity of natural soil and changes in boundary conditions,it is difficult to convert actual seepage problems into equivalent numerical problems.The function of the drainage system is crucial.Because it can alter the diving surface and ensure downstream safety.This article proposes the use of finite element method to study the analysis results considering the seepage and stability of earth dams.Seepage analysis can be divided into two categories:steady-state analysis and transient analysis.Based on parameter sensitivity analysis,both seepage and stability studies indicate that considering coupling effects is crucial for the overall stability of earth dams.The research results indicate that coupling analysis is a necessary condition for considering seepage and stability in the design and performance evaluation of earth dams.The downstream and upstream of the dam adopt a slope of 12.5.For both full and low reservoir conditions,the safety factor(FS)is greater than 1.6,but for other stability considerations,it was found that the FS value is lower than the specified value.The results indicate that the research on seepage control of homogeneous earth dams based on finite element analysis is an effective method.Through finite element analysis,a detailed analysis of the seepage behavior and stability of earth dams can be conducted,thereby guiding the formulation and implementation of seepage control measures.This research result is of great significance for improving the effectiveness of seepage control in reservoir areas and the safety of hydraulic engineering.Keywords:finite element analysis;infiltration control research;transfusion;stability;coupled analysis收稿日期：2023-09-21作者简介：林庆勇（1985-），男，广东封开人，工程师，主要从事水利水电工程质量监督工作。*林庆勇 基于有限元分析的均质土坝渗控研究1190 引言填土和填石材料构建的土石坝被认为是一种简单的结构，它利用自身的重量来防止滑动和倾覆的发生。在某些情况下，由于缺乏合适的黏土材料，土坝的设计采用分区核心的方式，由中心的不透水核心和两侧的透水外壳构成。土坝的破坏主要包括水力破坏、渗流破坏、坝体管道以及地震引起的结构破坏等多种因素。然而，由于地基条件和可用建筑材料的特性存在不可避免的变化，填土坝的设计和施工一直是岩土工程领域面临的主要挑战之一1。1 研究内容在土石坝的设计和施工过程中，需要考虑地基条件的复杂性和可用建筑材料的特性。地基条件的不同可能会导致土坝的稳定性和渗流行为发生变化，因此需要进行仔细的地质勘察和土壤力学分析。同时，选择合适的建筑材料对土坝的性能和耐久性也起着关键作用。在设计阶段，需要充分考虑土坝的结构形式、剖面形状、核心和外壳的布置等因素，以确保土坝的稳定性和安全性。在施工过程中，需要严格控制填土和填石的质量和压实度，采取适当的施工措施和监测手段，确保土坝的建设质量和可靠性。填土坝的设计和施工是一个复杂而关键的过程，需要综合考虑地基条件、建筑材料的特性和土坝的结构形式。通过岩土工程的理论和技术，可以为填土坝的设计和施工提供科学的指导，以确保土坝的稳定性、安全性和可持续性2。研究采用了PLAXIS 3D软件进行有限元建模，对土坝的稳定性和渗流行为进行了详细分析。在建模过程中，考虑了地表水和地下水之间的相互作用，实现了完全耦合效应的分析。研究主要关注了两个关键参数，即杨氏模量（E）和内摩擦角（），以评估土坝稳定性的变化。通过对不同条件下土坝的稳定性进行分析，包括满（高）蓄水位、快速缩编（5 d 和 10 d）、缓慢缩编（50 d）以及低水位条件下的情况，对土坝的稳定性进行了检查。在设计标准中，土坝的主要用途和整体安全性起着关键作用。此外，设计标准还需要满足地震、洪水等关键条件下路堤和地基的稳定性要求，并考虑渗流和压力控制、控制漫顶情况的安全措施和侵蚀控制方法等基本设计要求。然而，本研究特别关注渗流对土坝整体安全性的影响，因为渗流是决定大坝安全性的重要因素之一。通过有限元分析，本研究旨在解决库区渗控研究及防渗治理中与渗流有关的问题，为制定合理的渗控方案和提升土坝安全性提供支持和指导。研究结果可以帮助工程师和决策者更好地理解土坝的渗流行为，并为实施有效的渗控措施提供科学依据，以确保水工工程的安全性和可靠性。2 有限元分析在基于有限元分析的库区渗控研究及防渗治理中，存在多种模型，其选择主要取决于压力或水头的考虑。渗流区域中的空气和水之间没有明确的界面，因为毛细管效应的存在导致渗流面的几何形状不完全定义。由于这种情况，过渡区的饱和度会快速变化，特别是在考虑到土坝上游面时3。基于代表性体积和质量守恒原理，可以导出描述非均质、各向异性、饱和-非饱和土壤渗流的偏微分方程。在瞬态过程中，如果总应力保持不变，则可以得到三维瞬态情况的微分方程：（1）在库区渗控研究和防渗治理中，存在一些关键的参数和方程式，包括 h、k、ky和 k。其中，h代表引起流动的压头，而 k、ky和 k分别表示 x、y和 z方向上的渗透系数。这些参数和方程式是基于有限元分析的库区渗控研究及防渗治理中的重要内容。通过有限元分析方法，可以对库区的渗流行为进行详细的建模和模拟。这种分析可以帮助评估渗流路径的变化、水头的分布以及饱和度的变化。这些分析结果对于制定和实施有效的防渗治理措施至关重要，可以提高库区的渗控效果并确保水工工程的安全性4。在库区渗控研究和防渗治理中，基于有限元分析的模型和方程式是不可或缺的工具和方法。它们能够更准确地描述土壤和水的相互作用过程，并提供关键的参数和结果来指导决策和设计。如果需要推导均质土壤沉积物的情况，可以对上述方程进行必要的修改，以适应具体的土壤特性和工程环境：（2）120云南水力发电2024 年第 4 期在基于有限元分析的库区渗控研究及防渗治理中，上述方程适用于均质土壤沉积和各向异性介质的情况。在进行稳定渗流分析时，只需要定义渗透系数作为唯一的独立量，而蓄水量参数 m（表示土壤-水特征曲线的斜率）可以忽略。通过有限元分析方法，可以将库区土壤的渗透系数考虑在内，从而模拟渗流行为和水头分布。这些分析可以帮助确定关键的渗透路径和水流方向，为库区渗控方案的设计和实施提供重要参考。在防渗治理中，基于有限元分析的模拟可以用于评估不同渗透系数条件下的渗流情况，并预测可能存在的渗漏点或渗透路径。这有助于识别潜在的渗漏风险区域，并采取相应的防渗措施，如加固土坝结构、改善渗透性等，以提高库区的渗控效果和水工工程的稳定性。因此，基于有限元分析的渗流模拟在库区渗控研究和防渗治理中具有重要作用，能够提供详细的渗流信息和定量分析结果，为制定科学的渗控方案和工程决策提供支持。基于有限元分析的模型和方程式在库区渗控研究和防渗治理中具有重要的应用价值。它们能够提供深入的理解和洞察库区渗流行为，并为制定合理的渗控策略和防渗治理方案提供可靠的科学依据。3 输入参数在此还进行了参数研究，旨在模拟不同情况下土坝的行为，主要通过改变参数 E 和 p 来实现。其中，外壳和芯的 E 值发生变化，而底土的 E 数值保持不变。p 的取值范围在 30到 35之间变化。为了全面考虑各种情况，研究中考虑了不同的流量函数，包括大坝的满（高）水库水位、5 d和 10 d 内的快速下降、50 d 内的缓慢下降以及大坝的低水位。在有限元分析中，选择了代表性的土坝高度为35 m，并采用了1/2.5 的上游和下游侧边坡比例，底土深度为 30 m。水库高水位为 30 m，地下水深度为 10 m。为了准确模拟土坝的行为，在上游面和底土部分的最后一部分之前为上游侧指定了适当的水力边界条件。这些边界条件的设置对于模拟土坝的渗流和稳定性非常重要，能够反映实际工程中的情况5-6。通过对这些参数的选择和设定，能够更准确地模拟土坝在不同情况下的行为，从而深入研究土坝的稳定性和渗流特性。这有助于了解土坝在不同水位和下降速率条件下的响应，并为制定相应的渗控策略和防渗治理提供科学依据。同时，这些参数的变化也提供了对土坝行为的敏感性分析，帮助了解不同参数对土坝性能的影响，以便做出合理的设计和决策。图 1 展示了研究中考虑的土坝剖面，而图 2 显示了有限元网格的布置。通过这些参数的变化和有限元分析的模拟，旨在深入理解基于有限元分析的库区渗控研究及防渗治理的相关问题，并为制定合理的渗控策略和提升土坝的防渗能力提供实质性的支持和指导。4 结果和讨论根据有限元分析的结果（图 3 图 6），以下是一些观察和结论。图 1 土坝剖面图图 2 有限元网格的布置图图 3 土坝坝体和底土中正应力的变化趋势图MPa图 3 展示了土坝坝体和底土中正应力的变化趋势。通过观察该图，我们可以了解在不同情况下正应力的分布情况，这对土坝的稳定性评估至关重要。林庆勇 基于有限元分析的均质土坝渗控研究121的安全系数值，以评估土坝的稳定性状况。图中使用 HR 表示高水位，LL 表示低水位。这些水位条件对土坝的稳定性和渗流分析有重要影响，因为水位变化会引起孔隙水压力的变化。图中显示了 30和 35的内摩擦角。内摩擦角是土壤抗剪强度的重要参数之一，对土坝的稳定性分析具有重要意义。通过对这些有限元分析结果的观察，我们可以更好地理解基于有限元分析的库区渗控研究和防渗治理的相关问题。这些结果为制定合理的渗控策略和提升土坝的稳定性和防渗能力提供了实质性的支持和指导。可以利用这些结果来优化土坝设计、预测潜在的问题和风险，并采取相应的措施来保障土坝的安全运行。5 结束语与极限平衡法相比，使用 PLAXIS 进行评估的FS 值更可靠，并且在 PLAXIS 中进行参数敏感性研究相对容易。在快速缩编（即 5 d 内快速缩编，RDD1）和 10 d 内缩编（RDD2）期间，FS 值显著降低。由于水位突然变化，可能会产生孔隙水压力，但潜水面无法迅速变化，因此需要对水位下降进行分析。满（高）储层条件和低储层条件下的 FS 均大于 1.6。对于其他条件，FS 值小于规定值。E 值的增加（即超过底土的杨氏模量）导致在两种短期水位下降条件（即 RDD1 和 RDD2）下的FS 降低，与缓慢水位下降条件形成对比。当 E 接近底土的杨氏模量值时，在相同的迭代次数下，位移会突然跳跃，有效应力的变化也会出现类似的情况。这些结果在基于有限元分析的库区渗控研究和防渗治理方面具有重要意义，并为制定合理的渗控策略和提升土坝的稳定性和防渗能力提供了可靠的依据。参考文献：1郁舒阳，张胜伟，杨兆兵，等.深厚覆盖层住宅工程渗控有限元分析J.三峡大学学报：自然科学版，2018,40（2）:1-5.2曹洪.区域复杂渗流场分析与渗控研究及应用D.广州：华南理工大学，2014.3行亚楠，胡升伟，王滔，等.立洲 RCC 拱坝渗控方案的三维有限元优化分析J.南水北调与水利科技，2013,11（2）:128-132+137.4梁亮，沈振中，张倩.橡胶坝坝基渗控措施有限元分析J.水电能源科学，2010,28（11）:58-60.5陈志怀.均质土坝安全稳定分析综合评价J.云南水力发电，2023,39（8）:336-340.6张俊霞，李莉，胡广伟，等.小浪底大坝渗控措施三维有限元计算分析J.岩土工程界，2005,（5）:62-64.图 4 法向应变的变化趋势图MPa图 5 有效孔隙压力的变化趋势图MPa图 4 展示了法向应变的变化趋势。法向应变是土体在垂直方向上的变形程度，可以帮助我们了解土坝的变形特征以及潜在的破坏区域。图 6 位移的等值线图图 5 展示了有效孔隙压力的变化趋势。有效孔隙压力是土壤中水分和气体所占据的压力部分，对土壤的渗透性和稳定性有重要影响。通过观察该图，我们可以了解土壤中水分的分布和变化情况。图 6 展示了位移的等值线。位移是土体中各点在空间中的位移量，可以帮助了解土坝的整体位移特征以及可能出现的变形区域。所有情况下的稳定性结果都以安全系数（FS）表示。安全系数是评估土坝稳定性的重要指标，它表示土坝的抗破坏能力与破坏的临界状态之间的比值。通过观察这些图，可以比较不同情况下