一种模拟砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形影响的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水利水电工程堤坝的设计、研宄及控制的技术领域，具体地涉及一种 模拟砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形影响的方法。
【背景技术】
[0002] 部分江河大堤和一些水库大坝都不可避免地坐落于在渗流作用下内部不稳定的 砂砾石覆盖层上，这些堤坝在高水头渗流作用下可能发生内部管涌侵蚀，严重时威胁堤坝 的安全。砂砾石土的管涌侵蚀，会改变土体的渗透性、强度和应力变形关系，导致坝基及坝 体渗流场的变化、导致大坝发生变形和应力调整，危害坝基的渗透稳定性和坝基的抗滑稳 定性，危害上部及坝基内部结构的正常工作，最终危害整个堤坝的安全运行。
[0003] 砂砾石土的管涌侵蚀的类型包括：管道型（流土型）管涌和管涌型管涌。管涌型 管涌是指粗颗粒构成骨架而细颗粒在粗颗粒之间的孔隙中发生移动侵蚀。管涌型管涌可以 在堤坝基础内部首先发生，并溯源发展。管涌型管涌侵蚀发生对应力变形有两个方面的影 响：（1)侵蚀改变土体的渗透性，从而改变坝基的渗流场，而导致坝基及其上部结构产生应 力变形；（2)侵蚀改变土体的强度和变形模量，土体在应力状态不变时将产生应变，从而引 起坝基的应力动态调整和迀移。为了保证堤坝的安全运行，亟需一种模拟砂砾石坝基管涌 侵蚀对大坝应力变形影响的方法，以便定量描述砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形造成 的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种模拟砂砾石坝基管涌 侵蚀对大坝应力变形影响的方法，其能够定量描述砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形造 成的影响，用于分析和控制管涌型管涌对大坝应力变形造成的影响，从而保证整个堤坝安 全运行。
[0005] 本发明的技术解决方案是：这种模拟砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形影响的 方法，该方法包括以下步骤：
[0006] (1)仿真计算坝体填筑和蓄水过程中坝体的渗流和应力变形，当坝基中砂砾石土 中的渗透坡降超过临界管涌坡降时，判断管涌侵蚀开始发生；
[0007] (2)进行管涌侵蚀计算和大坝应力变形计算，并对二者进行耦合，获得管涌侵蚀对 大坝应力变形影响的结果。
[0008] 本发明通过仿真计算坝体填筑和蓄水过程中坝体的渗流和应力变形，进行管涌侵 蚀计算和大坝应力变形计算，并对二者进行耦合，获得管涌侵蚀对大坝应力变形影响的结 果，所以能够定量描述砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形造成的影响，用于分析和控制 管涌型管涌对大坝应力变形造成的影响，从而保证整个堤坝安全运行。
【附图说明】
[0009] 图Ia示出了根据本发明一个优选实施例的典型剖面在正常高水位管涌侵蚀100 小时后由于管涌渗流场变化引起的水平位移增量；图Ib示出了根据本发明一个优选实施 例的典型剖面在正常高水位管涌侵蚀100小时后由于管涌渗流场变化引起的垂直位移增 量。
[0010] 图2a示出了图Ia的管涌渗流场变化后大坝的水平正应力增量；图2b示出了图Ib 的管涌渗流场变化后大坝的垂直正应力增量。
[0011] 图3a示出了图Ia的管涌土体模量衰化引起的水平位移增量；图3b示出了图Ib 的管涌土体模量衰化引起的垂直位移增量。
【具体实施方式】
[0012] 这种模拟砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形影响的方法，该方法包括以下步 骤：
[0013] (1)仿真计算坝体填筑和蓄水过程中坝体的渗流和应力变形，当坝基中砂砾石土 中的渗透坡降超过临界管涌坡降时，判断管涌侵蚀开始发生；
[0014] (2)进行管涌侵蚀计算和大坝应力变形计算，并对二者进行耦合，获得管涌侵蚀对 大坝应力变形影响的结果。
[0015] 本发明通过仿真计算坝体填筑和蓄水过程中坝体的应力变形，进行管涌侵蚀计算 和大坝应力变形计算，并对二者进行耦合，获得管涌侵蚀对大坝应力变形影响的结果，所以 能够定量描述砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形造成的影响，用于分析和控制管涌型管 涌对大坝应力变形造成的影响，从而保证整个堤坝安全运行。
[0016] 另外，所述步骤（2)在每一个计算时步中耦合管涌侵蚀计算和大坝应力变形计 算。
[0017] 或者，所述步骤（2)包括以下分步骤：
[0018] (2. 1)以较小的时步进行管涌侵蚀计算，以较大的时步进行应力变形计算，管涌侵 蚀计算不耦合应力变形计算结果，而应力变形计算耦合管涌侵蚀计算结果；
[0019] (2. 2)以较大的时步时的渗流场、管涌侵蚀计算结果为基础，引入描述土体管涌侵 蚀过程中应力应变关系的本构模型，分两部分计算坝体的应力变形增量：(a)采用未侵蚀 时土体的变形参数计算渗流场变化引起的应力和位移增量；(b)计算由于侵蚀引起变形参 数变化导致的应力调整和迀移产生的应力和位移增量。
[0020] 另外，所述部分（a)中渗流场变化引起的应力和位移增量，基于管涌后的渗流场 结果，采用渗流应力耦合算法。
[0021] 另外，所述部分（b)中计算侵蚀引起变形参数变化导致的应力调整和迀移产生的 应力和位移增量，采用初应变增量法计算。
[0022] 下面更详细地说明本发明。
[0023] 管涌侵蚀发生对应力变形有两个方面的影响：（1)侵蚀改变土体的渗透性，从而 改变坝基的渗流场而导致坝基及其上部结构产生应力变形；（2)侵蚀改变土体的强度和变 形模量，土体在应力状态不变时将产生应变，从而引起坝基的应力动态调整和迀移。
[0024] 本发明采用渗流和变形耦合计算的方法，首先仿真计算坝体填筑和蓄水过程中坝 体的应力变形，当坝基中砂砾石土中的渗透坡降超过临界管涌坡降时，管涌侵蚀开始发生。 可以每一个计算时步中耦合管涌侵蚀计算和大坝应力变形计算。也可以较小的时步进行 管涌侵蚀计算，较大的时步进行应力变形计算，管涌侵蚀计算不耦合应力变形结果，而应力 变形计算耦合管涌侵蚀计算结果，然后以大时步时的渗流场、管涌侵蚀结果为基础，引入描 述土体管涌侵蚀过程中应力应变关系的本构模型，分两部分计算坝体的应力变形增量：（1) 采用未侵蚀时土体的变形参数计算渗流场变化引起的应力和位移增量；(2)由于侵蚀引起 变形参数变化导致的应力调整和迀移产生的应力和位移增量。
[0025] 渗流场变化引起的应力变形，基于管涌后的渗流场结果，采用一般的渗流应力耦 合算法即可。侵蚀引起的砂砾石土强度和变形模量变化引起的附加应力和变形的计算，可 采用初应变增量法计算。
[0026] 假定侵蚀单元土体的应力为〇 u，用增量法计算此应力状态下按照侵蚀前土体的 总的应变与当前侵蚀土体参数计算的总的应变之差Λ ε m如采用邓肯E-B或解耦K-G等 本构模型，由于本构模型是增量型，所计算的模量为切线模量，因此应变的计算应采用增量 法。可将应力分成η等分，每一等分看做一个应力增量d 〇 y分别按照未侵蚀土体和侵蚀土 体的模型参数，计算相应的应变，然后累计成总的应变，后者与前者总的应变之差，就是土 体在相同应力状态下侵蚀衰化引起的应变增量。一个应力增量中的应变增量按下式计算， 其中的模量应采用切线模量。
[0027]
(0.1)
[0028] 将此初应变转换为节点荷载，用矩阵表示：
[0029]
(0.2)
[0030] 指标符号形式的节点荷载
[0032] 进行有限元计算获得节点的位移后，求应力增量中，在应变中要扣除初应变
[0033] Δ σ iJ= D iJkl( ε kl-Δ ε kl) (0. 4)
[0034] 为了考虑模量随着应力状态的变化而变化，初应变应分成η(如10)等分，逐步计 算由此初应变带来的附加位移和附加应力。
[0035] 某工程中某设计方案典型剖面在正常高水位管涌侵蚀100小时后由于渗流场改 变导致的坝基和坝体位移如图la、lb所示，坝体和坝基土体中的应力变化如图2a、2b所示， 模量衰化引起的附加变形如图3a、3b所示。
[0036] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依 据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明 技术方案的保护范围。
【主权项】
1. 一种模拟砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形影响的方法，其特征在于：该方法包 括以下步骤： (1) 仿真计算坝体填筑和蓄水过程中坝体的应力变形，当坝基中砂砾石土中的渗透坡 降超过临界管涌坡降时，判断管涌侵蚀开始发生； (2) 进行管涌侵蚀计算和大坝应力变形计算，并对二者进行耦合，获得管涌侵蚀对大坝 应力变形影响的结果。2. 根据权利要求1所述的模拟砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形影响的方法，其特 征在于：所述步骤（2)在每一个计算时步中耦合管涌侵蚀计算和大坝应力变形计算。3. 根据权利要求1所述的模拟砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形影响的方法，其特 征在于：所述步骤（2)包括以下分步骤： (2. 1)以较小的时步进行管涌侵蚀计算，以较大的时步进行应力变形计算，管涌侵蚀计 算不耦合应力变形计算结果，而应力变形计算耦合管涌侵蚀计算结果； (2. 2)以较大的时步时的渗流场、管涌侵蚀计算结果为基础，引入描述土体管涌侵蚀过 程中应力应变关系的本构模型，分两部分计算坝体的应力变形增量：(a)采用未侵蚀时土 体的变形参数计算渗流场变化引起的应力和位移增量；(b)计算由于侵蚀引起变形参数变 化导致的应力调整和迀移产生的应力和位移增量。4. 根据权利要求3所述的模拟砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形影响的方法，其特 征在于：所述部分（a)中渗流场变化引起的应力和位移增量，基于管涌后的渗流场结果，采 用渗流应力耦合算法。5. 根据权利要求3所述的模拟砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形影响的方法，其特 征在于：所述部分（b)中计算侵蚀引起变形参数变化导致的应力调整和迀移产生的应力和 位移增量，采用初应变增量法计算。
【专利摘要】本发明公开了一种模拟砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形影响的方法，其能够定量描述砂砾石坝基管涌侵蚀对大坝应力变形造成的影响，用于分析和控制管涌型管涌对大坝应力变形造成的影响，从而保证整个堤坝安全运行。该方法包括步骤：(1)仿真计算坝体填筑和蓄水过程中坝体的应力变形，当坝基中砂砾石土中的渗透坡降超过临界管涌坡降时，判断管涌侵蚀开始发生；(2)进行管涌侵蚀计算和大坝应力变形计算，并对二者进行耦合，获得管涌侵蚀对大坝应力变形影响的结果。
【IPC分类】E02B1/02, E02B7/02
【公开号】CN104963319
【申请号】CN201510332623
【发明人】吴梦喜, 姜媛媛, 余挺, 叶发明, 张琦, 杨怀德, 王党在
【申请人】中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司, 中国科学院力学研究所
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月16日