水工结构稳定性分析中多场耦合效应的数值模拟研究

一、引言

在大型水利工程建设中，水工结构常处于复杂的物理场环境，应力场、渗流场、温度场等多场相互作用，形成耦合效应，对结构稳定性产生重要影响。传统单一物理场分析已难以满足工程需求，开展多场耦合效应的数值模拟研究，精准分析水工结构稳定性，对保障水利工程安全运行、推动行业技术进步具有关键意义。

二、多场耦合效应基本理论

2.1 多场耦合概念

多场耦合是指两种或两种以上物理场在同一系统中相互作用、相互影响的现象。在水工结构中，应力场与渗流场耦合时，孔隙水压力会改变土体有效应力，影响结构变形；温度场变化会导致材料热胀冷缩，产生热应力，进而与应力场相互作用。多场耦合使得水工结构力学行为更加复杂，需综合考虑多场协同作用。

2.2 多场耦合类型

水工结构中常见的多场耦合类型有流固耦合、热 - 流 - 固耦合等。流固耦合是渗流场与应力场之间的相互作用，水的渗流会引起孔隙水压力变化，改变土体受力状态，土体变形又会影响渗流通道，改变渗流特性；热 -流 - 固耦合则是温度场、渗流场和应力场三者之间相互耦合，温度变化影响材料物理力学性能和渗流特性，渗流和应力变化也会影响温度分布。

2.3 多场耦合基本方程

多场耦合基本方程是描述各物理场相互作用的数学表达式。对于流固耦合，常用 Biot 固结理论方程，该方程将渗流连续性方程与土体平衡方程联立，考虑了孔隙水压力与土体应力的相互关系；热 - 流 - 固耦合方程则需将热传导方程、渗流方程和固体力学方程通过耦合项进行关联，以准确描述多场之间的耦合关系。

三、多场耦合效应数值模拟方法

3.1 有限元法

有限元法是多场耦合效应数值模拟的常用方法。它将求解区域离散为有限个单元，通过对单元进行分析和组装，求解多场耦合问题。在水工结构多场耦合分析中，利用有限元软件如 ANSYS、COMSOL 等，可建立复杂结构模型，模拟不同物理场的分布及相互作用，得到结构应力、位移、渗流等物理量的数值解。

3.2 边界元法

边界元法是基于积分方程的数值方法，只需对结构边界进行离散，相比有限元法，可减少计算量和内存需求。在处理无限域或半无限域的多场耦合问题时，边界元法具有独特优势。例如在分析水工结构地基渗流问题时，可有效模拟无限延伸的地基边界条件，提高计算效率和精度。

3.3 离散元法

离散元法适用于研究颗粒介质的多场耦合问题。在水工结构中，如土石坝、散体材料基础等，离散元法可将颗粒视为独立单元，通过计算颗粒间的相互作用力，模拟颗粒在多场作用下的运动和变形。该方法能直观展现颗粒介质的细观力学行为，为分析复杂地质条件下的水工结构稳定性提供了新思路。

四、多场耦合效应数值模拟案例分析

4.1 案例背景

选取的某大型混凝土重力坝工程位于西南山区峡谷地带，坝高达到185 米，坝顶长度 840 米，是集防洪、发电、灌溉等多功能于一体的综合性水利枢纽。该区域地质条件复杂，坝基主要由花岗岩、砂岩互层组成，存在多条规模不一的断层破碎带，断层填充物多为粉质黏土，透水性较强，导致坝基存在显著的渗流问题。在蓄水工况下，坝体承受的水压力随着水位抬升急剧增加，最高水压可达 16MPa ，巨大的荷载作用使得坝体应力分布复杂。此外，该地区昼夜温差大，年温差超过 40^∘C ，施工过程中混凝土浇筑产生的水化热与外界气温变化共同作用，形成复杂的温度场。在施工阶段，混凝土内部温度峰值可达 65℃，而外界最低气温可降至 - 5℃，这种显著的温度梯度产生的热应力，与水压力引起的应力场、坝基渗流产生的渗流场相互耦合，形成热 - 流 - 固多场耦合效应。

4.2 数值模型建立

在数值模型构建过程中，采用专业有限元软件 ANSYS 建立坝体 - 地基系统的三维数值模型。考虑到坝体与地基结构的复杂性，模型范围沿坝轴线方向取上下游各 3 倍坝高，垂直坝轴线方向取左右岸各 2 倍坝高，深度方向取 2 倍坝高。采用混合网格划分技术，对坝体等关键部位采用六面体结构化网格进行精细划分，单元尺寸控制在 2 - 3 米；对地基等相对次要区域采用四面体非结构化网格，单元尺寸逐渐过渡到 5 - 8 米，整个模型共划分单元 28.6 万个，节点 52.3 万个，确保模型精度与计算效率的平衡。在物理力学参数选取上，坝体混凝土弹性模量取 35GPa，泊松比0.167，密度 2400kg/m³ ；地基花岗岩弹性模量 28GPa，泊松比 0.25，密度2650kg/m³ ，断层破碎带采用弹塑性模型，其黏聚力 12kPa，内摩擦角 28^∘_c 。边界条件设置方面，渗流场将上游水位设置为 175m 高程，下游水位 50m高程，地基底部设置为不透水边界，坝基与两岸接触面根据地质勘察结果设置渗透系数；温度场边界考虑年平均气温 15°C ，混凝土浇筑时初始温度20^∘C ，并通过表面换热系数模拟大气与坝体表面的热交换；应力场边界将地基底部约束三个方向位移，两岸约束垂直于岸坡方向位移，坝体表面施加水压力和自重荷载，以此构建完善的多场耦合数值模型。

4.3 结果分析

通过数值模拟计算，全面获取了坝体在多场耦合作用下的应力、位移和渗流分布特征。在应力分布上，坝体下游面在水位 175m 工况下，受水压力和温度梯度共同作用，在坝踵处出现最大拉应力 1.8MPa，超过混凝土的抗拉强度设计值，存在裂缝扩展风险；坝体内部由于温度变化产生的热应力与水压力叠加，导致坝体中部出现不均匀应力集中现象。位移方面，坝体最大水平位移发生在坝顶下游侧，达到 28mm ，垂直位移最大为15mm ，主要由坝体自重和水压力引起；地基受渗流作用，孔隙水压力导致土体有效应力降低，产生了 8-12mm 的沉降变形。渗流场结果显示，坝基渗流量达到 0.08m³/s ，渗流集中区域主要分布在断层破碎带附近，渗流产生的扬压力使得坝基有效应力降低约 12%-18% ，显著影响坝基的抗滑稳定性。

五、结论

本研究系统探讨了水工结构稳定性分析中多场耦合效应的数值模拟问题。明确了多场耦合的基本理论，对比分析了有限元法、边界元法和离散元法等数值模拟方法的特点与适用范围，并通过实际案例验证了数值模拟的有效性。研究表明，多场耦合效应对水工结构稳定性影响显著，数值模拟能够准确揭示多场耦合下结构的力学行为和变化规律。未来研究可进一步优化数值模拟方法，加强多场耦合理论在复杂水工结构中的应用，提高分析精度和可靠性。

参考文献

[1]吴明明.龙淡河深惠段防洪整治工程中的水工结构稳定性分析[J].水上安全,2024,(24):16-18.

[2]任睿.高压水工隧洞衬砌承载结构稳定性分析[J].黑龙江水利科技,2022,50(01):11-15.

[3]冯博.高地应力区开挖作用下地下洞室围岩破坏机制与稳定性分析[D].大连理工大学,2021.