流固耦合的多元结构深厚覆盖层透水地基的力学特性

深厚覆盖层多元结构坝基在渗流过程中各土层力学差异明显,分析时关注的具体问题也不尽相同,需要深入研究。基于比奥固结理论,考虑土体的非线性流变以及土体固结变形过程中孔隙度、渗透系数、弹性模量及泊松比的变化;借助ADINA流固耦合模块来模拟西藏达嘎水电站坝基渗流场与应力场耦合过程,分析各层力学特性及相互作用。研究表明,透水性较强的表层土体是渗流主要通道,也是渗流进出区和沉降变形体现区,应在上游采取措施提高其压缩模量,下游区域增设反滤层和排水设施;坝基中的粉细砂层是坝基沉降的主要原因,对坝基沉降起主导作用,同时应注意其液化特性对坝基的不利影响;坝基中的承压含水土层对下游上部结构产生向上顶托力,若位置较深,则破坏性较小;坝基深部土层对整个坝基的渗流破坏影响较小,但对沉降和渗流量的影响不可忽视;表层砂卵砾石层和粉细砂层的渗透系数相差较小时,土层间不会发生接触冲刷。此外,还发现坝基孔隙水压力在快速衰减阶段被消散,期间土体固结较快。垂直防渗墙能有效降低渗透坡降和渗流量,将坝基沉降变形控制在防渗墙上游区域,但上游坝基变形对防渗墙产生较大的水平推力,应加大防渗墙尺寸或者采用辅助渗控措施。     

基于流固耦合的坝基中弱透水层对渗流的影响分析

深厚覆盖层坝基中存在弱透水层时,弱透水层往往既是隔水层又是软弱夹层,是利用其作为渗流控制依托层,还是不考虑其防渗作用,关系到防渗工程的成本、进度等。流固耦合能较真实反映出弱透水层对坝基渗流场和应力场的影响,该文以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将土体本构关系推广到黏弹塑性,同时考虑土体力学参数及水力参数的动态变化关系,借助ADINA进行双场耦合求解,分析上江坝深厚覆盖层坝基中弱透水层对土石坝渗流场、应力场和自身应力应变的影响。研究表明:半封闭式防渗墙和弱透水层可形成坝基内部的联合防渗体系,能达到显著的渗流控制效果,大坝渗流量、坝基出逸坡降和弱透水层自身应力应变均小于其允许值,能保证大坝的安全稳定运行。但同时防渗墙和弱透水层承受的应力应变会相对增加,需要采取合理的工程措施给予辅助。实例中防渗墙深度相比封闭式防渗墙减小近60 m,若方案能给与采用,可大大减少工程造价。因此,坝基内部若存在弱透水层应该给与足够的重视,科学论证后若能加以利用,能做到事半功倍。     

流固耦合的多元结构深厚覆盖层透水地基的力学特性

深厚覆盖层多元结构坝基在渗流过程中各土层力学差异明显,分析时关注的具体问题也不尽相同,需要深入研究。基于比奥固结理论,考虑土体的非线性流变以及土体固结变形过程中孔隙度、渗透系数、弹性模量及泊松比的变化;借助ADINA流固耦合模块来模拟西藏达嘎水电站坝基渗流场与应力场耦合过程,分析各层力学特性及相互作用。研究表明,透水性较强的表层土体是渗流主要通道,也是渗流进出区和沉降变形体现区,应在上游采取措施提高其压缩模量,下游区域增设反滤层和排水设施;坝基中的粉细砂层是坝基沉降的主要原因,对坝基沉降起主导作用,同时应注意其液化特性对坝基的不利影响;坝基中的承压含水土层对下游上部结构产生向上顶托力,若位置较深,则破坏性较小;坝基深部土层对整个坝基的渗流破坏影响较小,但对沉降和渗流量的影响不可忽视;表层砂卵砾石层和粉细砂层的渗透系数相差较小时,土层间不会发生接触冲刷。此外,还发现坝基孔隙水压力在快速衰减阶段被消散,期间土体固结较快。垂直防渗墙能有效降低渗透坡降和渗流量,将坝基沉降变形控制在防渗墙上游区域,但上游坝基变形对防渗墙产生较大的水平推力,应加大防渗墙尺寸或者采用辅助渗控措施。