基于改进流变元件模型的层状深厚覆盖层流变对面板坝结构性能影响的数值分析

摘要

在深厚覆盖层上建造面板堆石坝，除考虑水–土流固耦合外，还应考虑坝基流变的影响。为了更好地模拟坝基流变对大坝及渗控体系的真实受力，基于深厚覆盖层所呈现出的层状特性，首先改进新的流变元件模型H–KS以适应层状覆盖层，然后借助Comsol建立流变与流固耦合模型，最后按时间顺序计算了河口村面板坝各阶段的力学指标，分析了坝基流变对大坝及防渗体系的影响。结果表明：对于各向异性明显的层状坝基，采用H–KS流变模型能较好反映大坝各阶段的应力、变形和渗流实际情况，误差均在5%以内；计算结果相比不考虑流变的Duncan E–B模型，应力和变形均增大11.8%以上，部分增量对大坝结构的安全稳定造成影响；填筑期的沉降和应力总量占比达70%以上，但单位时间增量却较小，如沉降增量仅为0.015 m/月；蓄水期的岩土体流变及流固耦合作用对大坝各部位强度和刚度影响最大，应力及沉降增长率分别为0.02 MPa/月、0.038 m/月；运行期的各指标增长率逐渐趋缓，最终趋于稳定，但变形和应力增量可能会导致主要结构失稳或破坏。混凝土面板–趾板–连接板–防渗墙是完整、有效的渗流控制体系，坝基流变导致防渗墙上部水平位移增大，整体强度降低；趾板和面板在中部有受弯破坏的趋势。层状岩土体流变具有时效性，该层状坝基的流变在蓄水后2～3 a间基本完成，相应指标也趋于稳定。研究结果对层状覆盖层上的面板坝安全稳定体系的建立提供了理论支持。

关键词

深厚覆盖层 / 坝基流变 / 流变模型 / 防渗系统

基金资助

国家自然科学青年基金项目（42207102）; 山西省自然科学基金面上项目（202103021224151;202103021223132）; 山西农业大学省改革高层次人才引进项目（2021XG009）; 山西省水利科学技术研究与推广项目（2024GM33）