一种高心墙土石坝施工期心墙孔隙水压力计算预测方法技术

一种高心墙土石坝施工期心墙孔隙水压力计算预测方法，该方法包括以下步骤：1.根据有效应力原理，耦合广义塑性本构模型和孔隙流体本构模型，建立流土耦合本构模型；2.根据心墙料常规三轴排水试验和工程现场实测资料，得到流土耦合本构模型参数值；3.建立土石坝有限元计算模型；4.将有限元计算模型导入有限元分析软件，计算高心墙土石坝施工期心墙的孔隙水压力和变形。该方法充分利用了高心墙土石坝施工期心墙的饱和度较高，渗透系数极小，土骨架与孔隙流体呈同步变形的特性；很容易在单相介质中实现，避免了已有心墙孔隙水压力计算方法中矩阵病态、求解速度慢、易失败的问题，可为高心墙土石坝心墙安全评价提供理论支撑和技术手段。段。段。

【技术实现步骤摘要】
一种高心墙土石坝施工期心墙孔隙水压力计算预测方法


[0001]本专利技术属于水利水电
，涉及一种高心墙土石坝施工期心墙孔隙水压力计算预测方法。

技术介绍

[0002]实测资料显示，高土石坝施工过程中心墙内会产生较高的孔隙水压力(简称孔压)。小浪底斜心墙坝(坝高154m)竣工时最大孔压为1.37MPa；糯扎渡心墙坝(坝高261.5m)满蓄时最大孔压为2.30MPa。心墙是大坝防渗结构的重要组成部分，其渗透系数较小，孔压难以有效消散。高孔压的存在很可能造成心墙渗透破坏或水力劈裂等一系列问题。一旦心墙防渗体发生破坏导致大坝溃决，将会给人民生命财产造成巨大损失。
[0003]目前心墙施工期孔压计算多采用Biot流固耦合分析法，该方法理论严密，但面临着方程组系数矩阵病态，病态程度与时间步长、单元尺寸、渗透性等多种因素有关，求解效率低、易失败的问题，相关研究成果主要集中在二维分析或计算规模较少的三维分析，缺少反映大坝实际复杂三维效应的大规模Biot流固耦合数值模拟研究。此外，目前心墙力学特性模拟大都采用邓肯张E
‑
B本构模型，该模型计算的水平位移较实测偏大，会导致心墙孔压模拟失真。相比邓肯张E
‑
B本构模型，弹塑性本构模型在模拟土体力学特性时结果更合理，但使用时仍存在上述问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是克服已有心墙孔隙水压力计算方法中矩阵病态、求解效率低、易失败，难以应用于大坝实际复杂的大规模三维数值模拟的问题。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种高心墙土石坝施工期心墙孔隙水压力计算预测方法，包括以下步骤：
[0007]a.根据土中总应力增量由土骨架传递的有效应力增量和孔隙流体传递的孔隙水压力增量组成的有效应力原理，耦合广义塑性本构模型和孔隙流体本构模型，建立考虑土骨架和孔隙流体相互作用的流土耦合本构模型。
[0008]b.根据心墙料常规三轴排水试验，得到步骤a流土耦合本构模型中土骨架的模型参数值；根据工程现场心墙料的含水率、孔隙率和干密度实测资料，得到饱和度实测值，进而得到孔隙流体的模型参数值；
[0009]c.建立有限元计算模型，其中心墙采用步骤a和b中的流土耦合本构模型，计算高心墙土石坝施工期心墙的孔隙水压力和变形；
[0010]前述的高心墙土石坝施工期心墙孔隙水压力计算预测方法中，广义塑性本构模型考虑了筑坝料的压力相关性，可较好地模拟筑坝料明显的弹塑性变形特性，用于计算土骨架传递的有效应力，有效应力增量矩阵和应变增量矩阵的关系如下：
[0011]dσ'＝D
ep
:dε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012][0013][0014][0015][0016]式中：dσ'为有效应力增量矩阵；dε为应变增量矩阵；D
ep
为土骨架广义塑性本构矩阵；K和G分别为弹性体积模量和剪切模量；p
a
为一个大气压；p'为平均有效应力；H
L
和H
u
分别为加载塑性模量和卸载塑性模量；H
den
为循环致密性系数；H
f
，H
v
和H
s
为塑性系数；M
g
是平均有效应力
‑
广义剪应力(p'
‑
q)平面上临界状态线的斜率；η
u
为卸载应力比；H
DM
为应力历史函数K0， G0，H0，H
u0
，γ
u
，m
s
，m
l
，m
u
，m
v
为模型参数。
[0017]孔隙流体本构模型中，孔隙流体是由水和封闭气泡混合而成，其压缩性由气体和水共同决定，孔隙水压力增量矩阵与应变增量矩阵关系表示为：
[0018]dp
w
＝D
w
:dε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0019]dp
w
＝[dp
w dp
w dp
w 000]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0020][0021][0022][0023]式中：dp
w
为孔隙水压力增量矩阵；D
w
是孔隙流体本构矩阵；dp
w
为孔隙水压力增量；K
aw
为孔隙流体体积压缩模量；I是元素都为1的3
×
3矩阵，0为3
×
3 的零矩阵；n是孔隙率；K
f
是纯水的体积压缩模量；p
w
是孔隙水压力；S是饱和度；S0是饱和度初始值；k是空气在水中的体积溶解系数。
[0024]根据公式(1)和(6)，得到流土耦合本构模型中心墙总应力增量矩阵与应变增量矩阵关系表达为：
[0025]dσ＝(D
ep
+D
w
):dε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0026]式中，dσ为总应力增量矩阵。
[0027]前述的高心墙土石坝施工期心墙孔隙水压力计算预测方法中，有限元计算模型可采用二维或三维模型，其中心墙中输入的饱和度初始值根据步骤b中饱和度实测值的分布规律随机生成。
[0028]前述的高心墙土石坝施工期心墙孔隙水压力计算预测方法中，饱和度和孔隙流体体积压缩模量根据相应单元高斯点的孔隙水压力以及公式(9)和(10)进行实时更新。
[0029]本专利技术的有益效果：
[0030]本专利技术充分利用高心墙土石坝施工期心墙的饱和度较高，渗透系数极小，土骨架与孔隙流体呈同步变形的特性。由于有限元分析时外力是与总应力平衡的，因此上式很容易在单相介质中实现，并且无需修改应力积分和迭代求解流程，避免了已有孔隙水压力计
算方法中矩阵病态、求解速度慢的问题。更为重要的是，可在传统有限元计算软件中植入，实现方便，并且求解效率高、稳定性好。
附图说明
[0031]图1本专利技术的计算预测方法的流程图；
[0032]图2本专利技术的计算预测方法中饱和度随施工时间变化示意图；
[0033]图3本专利技术的案例中土石坝的坝体网格模型；
[0034]图4本专利技术的案例中心墙的饱和度实测值分布；
[0035]图5本专利技术的案例中心墙的计算孔压与实测结果对比；
[0036]图6本专利技术的案例中心墙的计算沉降与实测结果对比；
具体实施方式
[0037]本专利技术提供的一种高心墙土石坝施工期心墙孔隙水压力计算预测方法，具体实施过程包括以下步骤：
[0038]a.根据土中总应力增量由土骨架传递的有效应力增量和孔隙流体传递的孔隙水压力增量组成的有效应力原理，耦合广义塑性本构模型和孔隙流体本构模型，建立考本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高心墙土石坝施工期心墙孔隙水压力计算预测方法，其特征在于，包括以下步骤：a.根据土中总应力增量由土骨架传递的有效应力增量和孔隙流体传递的孔隙水压力增量组成的有效应力原理，耦合广义塑性本构模型和孔隙流体本构模型，建立考虑土骨架和孔隙流体相互作用的流土耦合本构模型；b.根据心墙料常规三轴排水试验，得到步骤a流土耦合本构模型中土骨架的模型参数值；根据工程现场心墙料的含水率、孔隙率和干密度实测资料，得到饱和度实测值，进而得到孔隙流体的模型参数值；c.建立有限元计算模型，其中心墙采用步骤a和b中的流土耦合本构模型，计算高心墙土石坝施工期心墙的孔隙水压力和变形。2.根据权利要求1所述的一种高心墙土石坝施工期心墙孔隙水压力计算预测方法，其特征在于，所述广义塑性本构模型考虑了筑坝料的压力相关性，可较好地模拟筑坝料明显的弹塑性变形特性，用于计算土骨架传递的有效应力，有效应力增量矩阵和应变增量矩阵的关系如下：dσ'＝D
ep
:dε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)(1)(1)(1)式中：dσ'为有效应力增量矩阵；dε为应变增量矩阵；D
ep
为土骨架广义塑性本构矩阵；K和G分别为弹性体积模量和剪切模量；p
a
为一个大气压；p'为平均有效应力；H
L
和H
u
分别为加载塑性模量和卸载塑性模量；H
den
为循环致密性系数；H
f
，H
v
和H
s
为塑性系数；M
g
是平均有效应力
‑
广义剪应力(p'
‑
q)平面上临界状态线的斜率；η
u
为卸载应力比；H
DM
为应力历史函数K0，G0，H0，H
u0
，γ
u
，m
s

【专利技术属性】
技术研发人员：刘京茂，邹德高，姜秋婷，金伟，朱先文，陈楷，屈永倩，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：