南芬露天矿拦水坝渗流与应力耦合分析-矿业114网 
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南芬露天矿拦水坝渗流与应力耦合分析
2012-06-25
应用有限差分软件FLAC3D建立南芬露天矿拦水土石坝的三维模型, 对拦水坝的应力应变和渗流进行 了数值模拟, 并比较了水位最低和最高时的应力状态。模拟结果表明了坝体的弱应力区、主应力及位移大小值, 可 改善坝体的稳定性和安全性提供依据。结果还表明该方法可以较好地模拟拦水坝坝体内部渗流场和应力场的耦 合作用, 较好地评价拦水坝的安全效果, 对于类似工程的防渗加固实践有一定的指导作用。
第 66卷 第 6期 有 色 金 属6矿山部分 6 6666年 6月 DD D DD1DDDD D D1 DDDD1DDDDD DDDD1 DDDD1DD1 DDD 南芬露天矿拦水坝渗流与应力耦合分析 6 6 6 6 李有臣 6 董宪伟 6 蔡嗣经 6 6 北京科技大学 土木与环境工程学院6 北京 6666666 1 本溪钢铁 6集团 6有限责任公司6 辽宁 本溪 6666666 6 66 要6 应用有限差分软件 6666 建立南芬露天矿拦水土石坝的三维模型6 对拦水坝的应力应变和渗流进行 摘 了数值模拟6 并比较了水位最低和最高时的应力状态。模拟结果表明了坝体的弱应力区、主应力及位移大小值6 可 改善坝体的稳定性和安全性提供依据。结果还表明该方法可以较好地模拟拦水坝坝体内部渗流场和应力场的耦 合作用6 较好地评价拦水坝的安全效果6 对于类似工程的防渗加固实践有一定的指导作用。 6 6 关摘摘6 6666 6 耦合分析6 数值模拟6 土石坝6 渗流场6 应力场 中摘分摘号6 66666 文献摘摘摘6 6 文章摘号6 66666 66666 66666 666 66666 66 6 666666 666 666666 6ou6li66 666ly6i6 i6 N66f66 O666 P i6M i66 66m 6 6 6 6 6 IYouch66 6 6ONG X i66w 6i6 66 I 6 iji66 6 61 6 ivil 666 E6vi6o6m 666 E66i6666i66 6choo6l U66B6 B6iji66 66666 6 6h i6 6 61 B66xi I6o6& 6 666l 6 G 6ou66 6o1 6666 B66xi 66666 6 6 i6o6i6 6 6hi66 6 6 6 6 b6666c6 6 fi6i66 6 iff6666c6 6of6w 666 6 6666 666i6 666 6666666 666 6im ul666 6 666 666666 66666 of 6h6m i6mi um 666m 6ximum w6666 l6v66 i6 com666661 6im ul66io6 666u l66 how 6h6 low 666666 666 6 6h6 v6lu6 of 66i6ci66l 666666 666 6 i66 l6c6m666 wh ich c66 66ovi66 6vi666c6 6o im66ov6 6h6 666b ili6y 66 66f66y of 6h6 66m1 6h6 666ul66 6l6o 6how 6h6 m66ho6 c66 6mi ul666 6h6 6666666 666 666666 fi6l6 i6 6h6 cou6 li6 6 c66 6v66l u666 6h6 66f66y 6ff6c6 of 66m b66666 wh ich c66 off66 6u i666c6 fo6 6h6 6666i 6666666 66i6fo6c6m 666 of 6im il66 666i6666i661 6 i6 u666 6o 6666bli6h 66 mo66l of N66f66 o666 6i6 m i6 6 6h6 6666666 6 6 6 6 6 K6y wo66 6 6666 6 cou6 li66 666ly6i6 6um 66ic6l 6 imu l66io 6 6666h66ock 66m6 6666666 fi6l 6 666666 fi6l6 墙或其它防渗措施。坝址区为山间 U 型河谷6 原有 引言 6 一小溪流通过6 小溪枯水期流量为 66 m / 6 洪水期 6 大于 566 m / 6。两侧山体坡度 66 ~ 66 6 植被发 拦水坝坝址区的地形条件、水文地质条件一般 较为复杂6 主要表现为覆盖层较厚且分层较多。为 了提高坝体的安全性和稳定性6 在拦水坝建设之前6 首先要对整个坝区的水渗流情况有较全面地了解。 根据坝区的工程地质和水文资料6 将各地层的渗透 特性进行有效地模拟6 分析坝体内部渗流场、应力场 的相互影响和相互作用6 为改善坝体弱应力区和选 择心墙提供依据。 育。两侧山体为花岗岩6 风化层厚度小于 5 m。右 坝肩为块石混杂砂壤土6 松散6 块石坚固6 一般粒径 666~ 566 mm6 最大 6 566 mm6 无磨圆6 无分选6 河谷 区为漂石6卵石混杂砂砾土6 松散6 块石坚固有磨圆6 无分选6 一般粒径 666~ 56 mm6 最大 6 566 mm6 厚 度约 65 m6 左坝肩为块石充填黄色粘土6 无架空现 象6 块石成分、组分同右坝肩。两侧坝肩在勘探深度 [ 6] 内 6孔深最大 65 m 6未见稳定地下水水位 。拦水 6 拦水坝及坝区水文、工程地质概况 坝纵剖面如图 6所示。 土石坝坝体内部的受力是由内部的渗流场和应 力场相互影响、相互作用的结果。一方面6 渗流场的 改变引起渗流体积力和渗透压力的改变6 使坝体作 用的外荷载发生变化6 从而改变了坝体应力场的分 布6 另一方面6 应力场的改变引起体积应变的改变6 使坝体各部位的孔隙率发生变化6 渗透系数随之变 本钢南芬拦水坝为土石坝6 坝高 66 m6 顶宽 6 m6 边坡比 6︰ 6 最高洪水位 66 m6 坝体内拟设心 作者简介6 李有臣 6 69666 66 男6 博士6 本钢集 团公司安监部部 长6 高 级工程师6 采矿工程专业。 66 有 色 金 属6矿山部分 6 第 66卷 摘 D 摘水摘心摘示意摘 D DD1D DDDDD DDDD DDDDDDD DD DDD DDDD wDll DDD D 化, 从而也改变了坝体渗流场的分布。渗流场与应 力场相互作用、相互影响会使双场耦合达到某一平 衡状态, 分别形成渗流场影响下的稳定应力场与应 摘 D 摘水摘心摘三摘模型 D DD1 D TDD DDDDDDDD DDDDDDD lD DDDl DD DDD DDDD w Dll DD DDDDDDDDD DDD [ 6 6 6 ] 。目前对流固耦合问 力场影响下的稳定渗流场 题的研究主要基于有限元方法。并且大多集中在裂 隙岩体渗流场与应力场的耦合分析上6 实际水利工 程中6 碾压混凝土坝、土石坝等坝体渗流与应力也存 力的分布情况发生了改变。应力分布主要特点是D 起初应力分布沿坝轴线近似成对称分布, 但是随着 水位的变化, 在坝体内部防渗心墙的作用下, 坝体应 力将进行二次调整;防渗心墙内部的大小主应力基 本不变, 而防渗墙附近, 即防渗墙带和坝体连接处大 小主应力变化较大, 最大值达 566 kP6。应力变化的 原因是由于水位上升导致坝体砂石料产生湿陷固结 的结果。 [ 56 6 ] 。 在着较强的耦合作用 6 工程分析 D1D 加摘及摘界条件 6土坝中设计心墙的渗透系数远远低于周围 土体的渗透系数6 认为是不透水材料6 6水载荷作为静止载荷适用于拦水坝体6 最高 水位为 66 m6 6 6 6 6 6计算时重点考虑最高水位的载荷6 6坝体底部侧边界为零流量边界6 且在计算过 程中水位边界条件不变。 D1D 摘算模型 66 采用工程分析软件 6666 建立分析模型6 以坝 体平行轴线方向为 Y 轴6 垂直地表方向为 Z轴6 水 平方向为 X 轴6 建立三维有限差分析模型6 如图 6 所示。 在计算过程中6 根据该工程的地质勘察报告、水 文资料6 计算力学参数取值如下6 体积模量为 66 M P 6 剪切模量为 66 M P 6 重力方向为垂直向下6 大 摘 D 初始最大主摘力云摘 D DD1 D TDD DlDuD DDDDD DD DDD DDDDDDlD DxDDuD pDDDDDpDl DDDDDD 6 6 小为 66 m /6 6 流体的密度为 6 666 k6 /m 6 渗透系数 6 6坝体位移云图分析。 6 66 6 各向同性渗透模型 6 为 66 m /P6666c6 孔隙率默 66 6 图 6~图 66分别为初始应力、最高水位坝体垂 直和水平位移等值线云图。图 6和图 9分别表示初 始应力和最高水位的坝体垂直位移等值线云图6 图 认为 6156 流体抗拉强度为 6 66 M P6。 D1D 摘算摘果分析 6 6坝体应力分析。 6和图 66分别表示初始应力和最高水位的坝体水平 图 6~ 图 6分别是坝体水位上升前后的大小主 位移等值线云图。经过分析可以看到6 最大竖向位移 应力等值线图。水位高度的变化引起坝体大小主应 第 6期 李有臣等6 南芬露天矿拦水坝渗流与应力耦合分析 66 摘 D 初始最小主摘力云摘 D DD1D TDDD DDD uD pDDDDDpD l DDDDDD 摘 D 最高水位的最小主摘力云摘 DDD1D TDD D DDDDuD pDDDDDpDl DDDDDD DDDDDuD DD DDD DDDDDDl DlDuD DD DDD DDDDDDD wDDDD lDvDl 摘 D 初始摘力的 z向位移云摘 摘 5 最高水位的最大主摘力云摘 DDD1D TDD zDDDDplDDDD DDD DlDuD DD DDD DDDDDDl DDDDDD DDD15 TDDD Dx DuD pDDDDDpDl DDDDDD DDDDDuD DD DDD DDDDDDD wDDDD lDvDl 和最大横向位移均有所减小, 有利于坝体的稳定。 66坝体渗透孔隙水压力分析 图 66、66分别为初始应力的孔压云图和最高水 位坝体的渗透孔隙水压力云图。比较分析可知6 在 拦水坝体设置防渗心墙6 可有效改善坝体的孔隙水 压力分布6 达到坝体防渗加固的要求。 6 结论 6 6心墙坝体在水载荷为零时6 坝体的最大主应 摘 8 初始摘力的 x向位移云摘 力和最小主应力近似对称地分布在心墙两侧。水位 上升到最高点时6 坝体主应力的最大值出现在左侧 坝基处6 应力水平等值线图显示了整个坝体处于安 D DD18 TDD xDDDDplDDDD DDD DlDuD DD DDD DDDDDD l DDDDDD 6 6 6 6应用 6666 软件对心墙土坝渗流过程进行 [ 9] 全稳定状态 。 分析6 可以补充坝体弱应力区6 调整大小主应力6 改 66 有 色 金 属6矿山部分 6 第 66卷 摘 D 最高水位的 z向位移云摘 DDD1D TDD zDDDDplDDDD DDD DlDuD DD DDD DDDDDDD wDDDD lDvDl 摘 DD 最高水位的孔隙水摘力云摘 DDD1DD TDD pDDD wDDDD pDDDDuDD DlDuD DD DDD DDDDDDDw DDDD lDvDl 善坝体的稳定性。 6三维快速拉格朗日分析方法可以较好地模 6 [ 66] 拟土体材料的弹塑性力学模型 6 与其它数值方法 相比6 该方法较简单6 考虑影响因素少6 并且计算结 果与实际情况较接近。 参 考 文 献 [ [ [ [ [ 6] 张洪斌6 孙永平6 李万 福6 等 1 本钢南 芬拦水坝 坝基渗 透变形 勘察 [ J]6 黑龙江水专学报6 666 6 666 666 661 6] 项颜勇 1 裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概 念模型及数值模 拟 [ J]6 工程地质学报6 66666 666 666 6666 6691 6] 张国6 朱济祥6 庄军6 等6 岩质边坡稳定性的渗 流耦合分析 [ J]6 天津大学学报6 69996 666 566 5666 5661 摘 DD 最高水位的 x向位移云摘 D DD1 DD TDD xDDDDplDDDD DDD DlDuD DD DDD DDDDDDD wDDDD lDvDl 6] 陈平6 张有天6 裂隙岩体渗流 与应力耦 合分析 [ J]6 岩石力学 与工程学报6 699 6 666 666 6996 6666 5] O66M6 66 6quiv6l666 co66i6uum mo66l f66 cou6l66 666666 666 flui6 flow 666ly6i6 i6 joi6666 6ock m 66666 [ J]6 W 6666 R66ou6c66 R66 6 666ch6 69666 6666 66566 66651 [ [ 6] 柴军瑞6 仵彦卿6 均质土坝渗流场与应力场耦 合分析的数学模 型 [ J]6 陕西水力发电6 699 6 666 666 66 61 6] 6 6h6i66666666 K R R66m u666 6 K Moll661 P 666ic6io6 of 666io66l 6 6ou66w 6666 flow 6o 66666m 6[ J]6 G6ou66w 6666 699 6 666 666 56 661 6 [ [ [ 6] 陈晓平6 茜平一6 梁志 松6 非均质 土坝稳 定性的 渗流场 和应力 场耦合分析 [ J]6 岩土力学6 666 6 656 666 6666 6661 9] 王祖强6 张贵金6 王 明 1 用 666666模拟 流固耦 合评价 病险土 坝防渗加固效果 [ J]6 湖南水利水电6 66696 666 666 661 66] 葛畅6 张允亭 1 本钢南芬拦水坝坝基渗透变形勘察6关于碎石 类土的渗透变形试验 [ J]6 油气田地面工程6 66666 6666 661 摘 DD 初始摘力的孔摘云摘 D DD1 DD TDD pDDD pDDDDuDD DlDuD DD DDD DDDDDDl DDDDDD
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