土体渗流场与应力场耦合研究

土体流固耦合理论研究进展陆培毅;韩亚飞;王成华【摘要】传统的渗流计算和变形计算是分开进行,方法虽然简单,但不符合工程实际且精度较低.经过国内外的学者在渗流场和应力场耦合问题上的大量研究,得出了从不同角度开展的耦合理论.为了体现出每种理论的本质和不同理论之间的区别和联系,对流固耦合理论从计算域耦合,基本未知量耦合,参数耦合和本构关系耦合4个方面进行了分类、评价.得出结论计算域耦精度较低但计算简便,基本未知数耦合理论完善,参数耦合仅针对某一类土建立,缺乏普遍性,本构关系耦合需进一步在黏性土中研究.【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)009【总页数】7页(P53-59)【关键词】岩土工程;流固耦合;计算域;本构关系;基本未知数【作者】陆培毅;韩亚飞;王成华【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津300350;天津大学建筑工程学院,天津300350;天津大学建筑工程学院,天津300350【正文语种】中文【中图分类】TU4330 引言土体流固耦合是研究土体渗流场和应力场之间的相互作用，涉及到土力学，流体力学和两学科的交叉。

太沙基最早提出有效应力原理并基于该原理提出了一维固结理论。

此后，比奥基于弹性理论，平衡条件，连续条件等提出了真三维固结理论[1]，以上两种理论是土力学中最具有代表性的流固耦合理论。

后来，诸多学者分别从耦合形式，有限元等方面对以上两种理论进行了改进和应用，形成了现在的流固耦合理论。

假设条件和耦合角度的不同，得出耦合理论的适用范围和精度也不尽相同。

因此有必要弄清各种耦合理论的前提条件、内在联系、区别和优缺点。

所以笔者对现有的耦合理论从计算域耦合、基本未知数耦合、参数耦合和本构关系耦合4个方面进行分类，目的在深入了解每种理论并总结优缺点，以便在理论指导实际工程时做到扬长避短。

1 计算域耦合1.1 概述计算域之间的耦合是指固体域和流体域之间的相互作用，按作用机理可以分为两种，一种是固体域和流体域部分或完全重叠在一起。

基于GeoStudio的石渣坝渗流场与应力场耦合分析作者：李晔艾丛芳金生丁伟业来源：《南水北调与水利科技》2015年第08期摘要：选取香水水利枢纽工程的黏土心墙石渣坝的横剖面作为研究对象，利用GeoStudio 的耦合分析功能对其进行非饱和渗流场-应力场的耦合分析及边坡抗滑安全系数的计算，得到相应的非饱和渗流场分布、水平和竖向位移分布、抗滑安全系数值。

通过与非耦合情况下的应力场及渗流场对比，表明边坡位移在深层区变化缓慢，在浅层坡面位移变化比较大。

与非耦合情况下的边坡抗滑安全系数值对比，表明上游坡脚稳定性不够，应采用放缓边坡以及铺石压坡等方法提高边坡稳定性。

进而说明耦合分析更具有实际意义。

关键词：石渣坝；渗流场；应力场；耦合分析；抗滑安全系数中图分类号：TV314文献标志码：A文章编号：1672-1683（2015）-002-0001-04石渣坝受到荷重作用，会改变石渣坝体内的渗流场分布[1]，这是由于荷重作用降低了坝体内相应的孔隙度，从而引起渗透系数的改变。

渗流场分布的改变会直接导致渗流压力及渗流体积力也随之变化[15]，这两个参数的变动进而会影响到石渣坝体的外荷载，最终导致石渣坝体的应力场分布发生变化。

可见，互相作用以及互相影响的渗流场与应力场间存在一种耦合关系[15]，一种使得应力场分布和渗流场分布都会发生变化的关系。

正是基于此原因，当前工程建设中愈发重视应力场与渗流场的耦合分析。

GeoStudio作为全球最知名的岩土工程分析软件之一，最常用的三个基本模块分别是SEEP/W、SIGMA/W、SLOPE/W，所有模块可以在同一环境下运行。

SIGMA/W与SEEP/W耦合分析时，首先要通过SEEP/W得到瞬时孔隙水压力，再将结果导入SIGMA/W中，从而得出在渗流场作用下不同时刻的应力应变。

本文基于GeoStudio软件的耦合分析功能[15]，即SIGMA/W模块与SEEP/W模块以及SLOPE/W模块的耦合功能，进行石渣坝渗流场与应力场耦合分析，同时分析出石渣坝边坡的抗滑移稳定性。

实 例可 以看 出 ， 合作 用使 坝 体渗 流场 发生 变化 ， 耦 并且 使 坝体应 力增 大 ， 坝踵 处 的应 力集 巾加剧 。 使
关 键 词 碾压 混 凝土 坝 ； （ ） 层 缝 面渗 流 ； 渗流 场 ； 力场 ； 合模 型 ； 应 耦 有限元
中 图 分 类 号 ： Ｖ ４ ． Ｔ ６２２
流 模型 来 模拟 碾 压混 凝 土 坝 层 （ ） 渗 流 与 坝 体 应 力 相 互 缝 面 影 响 的耦合 机 理 ， 论 碾压 混 凝 土坝 渗 流 场 与 应力 场 耦 合 分 讨 析 的数 学模 型 及 其有 限元数 值 解法 ， 用 工 程 实 例 检验 该 耦 并 合 模 型 的适 用 性 。
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２０ ０ ２年 第 ３期
Ｎ ３， Ｏ ２ ｏ ２Ｏ
黑
龙
江
水
利
科
技
Ｈ ｉ ｎ ｊ ｎ ｃ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｆ ｔｒ ｏ ｓｒａ ｃｙ ｌ ｉ ｅ Ｗａ Ｃ
文献 标 识码 ： Ａ
碾 压混 凝 土 筑坝 由于 其施 工 快 速 、 价 经 济 等 优 点 而正 造 在得 到 飞 速的 发展 ， 由于 大体 积 碾压 混凝 土 坝 都 是 分 薄层 但 浇筑 的 ， 以碾压 混 凝土 筑坝 主要存 在 碾 压 展 （ ） 所 缝 面结 合 问
题 。 实 践 证 明 ， 压 混 凝 土 层 （ ） 往 往 是 碾 压 混 凝 土 坝 中 碾 缝 面
表 ３ 不 同 生 育阶 段 的土壤 水 势 范 围 ｐａ ｈ
处 理 分 蘖 中期 分蘖 末 期 拔 节抽 穗期 乳 熟期
亏缺 不仅 不 会 减产 ， 反而 对产 量 产生 积 极影 响 。

（． １ 同济大学建筑工程系 ， 上海 ２ ０ ９ ； ． ００ ２ ２ 中国海诚 工程科技股份有 限公司 ， 上海 ２０ ３ ） ０ ０ １
摘
要
基 于达 西渗 流定律和 小变形 比奥 固结理 论 ， 虑深基 坑 开挖 过程 中的 降水 、 考 土与结 构的相 互作
用， 建立 了考虑 空 间效 应的二 维平 面模 型 ， 采用 Ｆ Ａ Ｌ Ｃ软件进 行 两种耦合 分析 ， 并将 分析 结 果进 行对 比， 得到 一 些有 益 的结论 。最后给 出 了深基坑 开挖 对周 围环 境影 响的估 计 ， 出对应 的环境 保护措 施 。 提
析领 域 ， 用修 正剑桥模 型 ， 利 将渗 流场水 力作用 与
１ 引 言
城 市化进 程使 高层建 筑和 市政公 用设施 的建 设 数量 和密度 增加 ， 工程建 设 中深基坑 的规模 、 形
应力 场耦 合 ， 并通 过有 限单元 法模 拟 ， 求得 到深 力 基坑 开挖 及降水 过 程 中 ， 开挖 范 围及 临 近 区域 地
ｍ ｄ ｌ ａ ｓ ｂ ｓｅ ｈｃ ｃ ｄｓ ｈ ａｉ ｆ ｃ ． ｙｔｅ Ｌ Ｃ Ｆ ｓ Ｌｇａｇ ｎ ｙｉ ｏ Ｃ ｎｉ ａ ， ｉ ｏ ｅ ｗ ｓｅｔ ｌｈｄｗ ｉ ｉ ｌ ｅ ｔｅ ｐｃ ｅ ｅｔ Ｂ Ａ （ ａｔ ａｒｎｉ Ａ ａ ｓ ｆ ｏｔ ｌ ｓ ｎ ｈ
ｐ ｐ ｒ ｃ ｌｕ ａｅ ｗｏ ｔｐ ｓｏ ｏ ｐ ｉｇ ｒｓ ｏ ｓ ｆｓｉ ａ ｄ ｗａｅ ，ｒｓ ｅ ｔｖ ｌ ａ ｅ ａｃ ｌｔｄ ｔ ｙ ｅ ｆｃ ｕ ｌ ｅ ｐ ｎ ｅ ｏ ｏｌ ｎ ｔｒ ｅ ｐ ｃｉｅｙ，ａ ｄ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｔ ｅｒ ｓ ｌｓｃ ｅｕｌ ｎ ｎ ｏ ａ ｅ ｈ ｅ ｕｔ ａ ｆ ｌ ｒ ｙ， Ｓ ｏ ｅ ｅ ｃａ ｏ ｃｕ ｉｎ ｒ ｃ ｉｖ ｄ．Ｆｎ ｌ ｔ ｅｐ ｅ ｉｔｏ ｆｔ ｅｉｆｕ ｎ ｅ ｏ ｕ ｒｕ ｄ ｎ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔｉ Ｏ ｓ ｍｅ ｂ ｎ ｆ ｉｌｃ ｎ ｌ ｓｏ ｓｗｅ ｅａ ｈｅ ｅ ｉ ｉａｌ ｈ ｒ ｄｃｉｎ ｏ ｈ ｎ ｅ ｃ ｎ ｓ ｒｏ ｎ ｉｇ ｅ ｖｒ ｎ ｎ ｎ ｙ， ｌ ｄ ｅ ｕ ｄ ｔ ｎ ｅ ｃ ｖ ｔｏ ｓ ｉｅ ａ ｄ ｓ ｍｅ ｐ ｏｅ ｔｏ ａ ｕ ｅ ｒ ｕ ｏ ｗａｄ ｅ ｐ ｆ ｎ ａｉ ｘ ａ ａｉｎ Ｗａ ｇｖ ｎ， ｏ ｒｔｃｉｎ ｍｅ ｒ ｓｗｅｅ ｐ ｔｆｒ ｒ ． ｏ ｏ ｎ ｓ Ｋｅ ｙｗｏ ｄ ｄ ｅ ｏ ｎ ｔｏ ｉ，ｃ ｕ ｌｎ ｆｓ ｌ ｌｑ ｉ ｒｓ ｅ ｐ ｆ ｕ ｄａｉｎ ｐ ｔ ｏ ｐ ｉ ｇ ｏ ｏ ｉ ｉ ｕ ｄ，ｉ ｔｒ ｃｉ ｎ，ｉｆｕ ｎ ｅ ｏ ｕ ｒ ｕ ｄ ｎ ｄ— ｎｅ ａ ｔｏ ｎ ｌ ｅ ｃ ｆｓ ｒｏ ｎ ｉ ｇ

渗流应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析摘要：地下水渗流对基坑变形的影响成为当前研究的热点，以苏州工业园区某地下车库基坑为例，采用ABAQUS模拟基坑开挖及支护过程，分析基坑开挖过程中的变形及渗流场规律。

结果表明：在开挖间歇期的坑外地表沉降量均比同期开挖结束后的沉降量要小，而基底隆起量比同期开挖结束后的隆起量要大。

每步开挖间歇结束时，围护墙的水平位移有所减小。

随着开挖的进行，围护墙周围的水头等势线越来越密，地面沉降形状为下凹的盆地形状。

关键词：基坑；渗流-应力耦合分析;有限元模拟1引言基坑开挖时，坑内外通常存在着水头差，地下水将在坑内外水头差作用下发生渗流。

基坑开挖过程是地下水渗流与岩土变形动态耦合的过程。

利用渗流-应力耦合理论研究开挖过程中地下水的渗流形态和孔隙水压力场的分布，分析地下水渗流对基坑稳定性的影响具有重要意义。

近几年来，许多研究者在分析渗流稳定问题时，引入了渗流场与应力场的关系，即渗流-应力耦合关系，并在岩土工程的各个领域取得了一定的成果和进展，渗流-应力耦合问题已成了研究的热点问题。

谢兼量[1]进行了渗流应力耦合条件下的海堤边坡稳定性研究；贾善坡等[2]进行了泥岩隧道施工过程中，渗流场与应力场完全耦合的损伤模型研究；张巍等[3]对大型地下洞室群围岩进行了应力-损伤-渗流的耦合分析；张媛媛[4]，苗丽等[5]，周建国等[6]在土坝的渗流场与应力场的耦合应用方面的研究获得了一些进展；王强等[7]，杨永恒[8]，郭娟[9]，周舒威等[10]基于渗流-应力耦合对尾矿坝的稳定性进行了研究；李筱艳[11]、纪佑军等[12]采用渗流-应力耦合分析，求解基坑的渗流场以及位移场。

本文结合苏州工业园区星海街站南北两侧公共地块地下车库项目，利用ABAQUS有限元软件进行了基坑工程在渗流－应力耦合作用下的变形分析，可为基坑工程的设计和施工提供参考。

2工程概况和地质条件星海街站南北两侧公共地块地下车库场地，位于苏州工业园区星海街及其以西、苏华路南北两侧的公共地块内。

理 分 析法 、 混合 分析法 及 系统 辨识 法 ， 并分 别形 成岩
１ 渗 流与 应 力 相 互作 用 美 系研 究 综述
以渗流作用力来表示水荷载 ， 是计算大坝水荷载 的精确方法， 特别是在大坝及 坝基、 坝肩中形成稳定 渗流场的情况下， 因此， 对大坝坝体来说 ， 坝体所受的 水荷载是 坝体渗 流场水 头分 布 的 函数 ，， １Ｊ即坝体 渗 ２
浆裂隙进行了实验 ． 张玉卓等ｌ ｌ对裂隙岩体渗流与 ０
以下三 种方法 第一 ， 接 通过 试验 总 结 出渗 透特 性 直 与应 力 的经验 公 式 ； 第二 ， 根据裂 隙面 的法 向、 向变 切 形公 式 间接地 导 出渗 透 特性 与应 力 的关 系 ； 三 ． 第 提 出某 理论概 念模 型来 解释渗流与应力 的耦台规 律 ．
体压缩变形又使其渗透系数大大降低 ， 起阻水作用 ， 从而孕育了滑动体上很高 的静水扬压力 ． 破坏了局 部岩体 的稳 定 ， 逐渐 引 起 大 坝 的溃 决 ． 并 由此 可见 ． 在大坝及其周围地质体 中， 渗流通过施加渗流作用 力而影 响应 力场 或 变形 场 ， 变形 和应 力 又 反 过来 而 通过改变介质渗透参数来影响渗流场 ， 即渗流场 此 与应力场的耦合作 用． 渗流场与应力场耦合分析是 对此耦合作用进行定量研究 的必由之路 ， 本文对大
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第 ２ 卷第 ２ ２ 期
水 利 水 电 科 技 进 展
２０ 年 ４月 ０２
大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析研究综述
柴 军瑞
（ 四川大学水利 水电工程学院 ， 四川 成都 ６０ ６） １０５
摘要 ： 论述了大坝及其周 围地质体 中 渗流场与应力场耦合分析研 究的意义， 对不同类型坝体和不同 结构岩（ 体渗流与应力的相互作用关系进行 了系统 的分类与总结， 土） 介绍 了渗流场与应力场耦合 分析及其在大坝工程 中应用的研究进展 ， 并对大埂及其周 围地质体渗流场与应力场耦合分析研究

式。渗流分析时， 只进行稳定渗流情况分析。
水库水位高程为 ２． ｍ， ９ 初始地下水位 １． 位 ９ ６ ０ｍ。 ３
式 中 ｎ为土体初始 的孔 隙率 ；。 。 ， 为土体单元 的体
积 应变 ； ｋ分别 为与孔 隙率 ｎ ， ｋ， 。ｎ相对 应 的渗
在 计算 时 ．根 据应 力场和 位 移场 的计 算结 果， 按上 式计 算 出土体 新 的渗 透系数 ， 重新 计算 渗流 场。
（） ３ 模型求解。将渗流场数值模型、 应力场数
考虑两场耦合对渗流影响时的计算结果由于土体发生变形孔隙体积变小渗透性降低自由面的位置有稍微的上升坝体坝基防渗墙下游等势线加密水力坡降有较明显增加表明相应区域渗流流速加大其中最大水力坡降出现部位仍然位于截渗墙的底部其数值为536
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６
［ 文章编号 ］０２ ０２ （０７ ０一ｏ０一ｏ １ － ６４ ２０ ）９ ０６ ３ ０
Ｊ口 Ｉ ） 。 【 Ｎｄ （ ］ Ａ
②应 力场基本方程 。
［】６ ＝ ｑ ＋｛ｓ Ｋ ｛） ｛ Ｆ） （） ３
的多少和 大小 的关系很大 。 而在伴随位移场 变化 的同时 。 土介质的孔隙率也将发生变化进而 引 岩 起介质渗透性能 的改变 。 这样岩土介 质的渗 流场 也会 受到影 响。所 以 ， 在土坝的实际运行 中， 渗流 力的存在改变 了原有的应 力场 。 而应 力场 的变化
截渗墙 ； 渗流 场 ； 力场 ； 应 位移
［ 关键词］三峡船闸； 高边坡； 地下排水 ［ 中图分类号］ Ｖ ２． ２ Ｔ ２ ３ ＋ ４ ［ 文献标识码］ Ａ
渗流场和应力场是岩土工程力学环境 中的最 重要 组成部 分之 一 ， 二者 之间是相 互联系 、 互 相 作 用的。目前 ， 在对土石坝的研究工作 中， 渗流分

土石坝的流固耦合渗流研究综述流固耦合仍是目前很多领域研究的热点和难点，文章根据前人的研究，对土石坝流固耦合渗流的原理、基本方程、分析方法及研究进展进行总结，并对流固耦合渗流问题的未来发展前景作了展望。

标签：渗流；流固耦合；耦合分析；有限元；数学模型引言土石坝是由土料、石料或混合料经抛填碾压填筑而成的挡水坝，其自身有显著的内部孔隙，从渗流特性来说，属于多孔介质。

大坝在挡水过程中，上下游形成水头差，在水头差的作用下，坝体会形成稳定的或不稳定的渗流场。

由此可知，研究土石坝首先要考虑渗流对其的影响。

目前，土石坝渗流的计算研究方法日趋成熟。

从理论上来讲，求解土石坝渗流的基本方程、渗流场水头分布以及渗流量和渗流水力坡降一般要在已知初始条件和边界条件下才能求解[1]。

常用的渗流计算方法有流体力学解法、水力学解法、图解法等近似计算方法。

应用较为成熟的是水力学解法，其基本要点是达西定律和杜布依假定。

近代计算机的发展和应用，使得数值计算方法（限差分法、有限单元法、边界元法等）在渗流分析计算中得到广泛的应用和完善，同时，有了计算机为依托，土石坝渗流可通过软件编写程序在计算机上模拟出来。

土石坝渗流的分析中，人们大多是将渗流场与应力场分开进行的。

近些年来，学者们通过研究及对工程实例的分析，得出坝体中的渗流和应力之间是相互耦合的，渗流场或是应力场单方面的考虑都不能切实客观的反映实际渗流和应力的状态。

李宗坤[2]、苗丽[3]（2009，2011）等利用有限元分析软件ABAQUS对土石坝进行流固耦合分析，其结果表明了坝体中的流固耦合作用不容忽视，考虑渗流与应力耦合作用将对土石坝的稳定性有着至关重要的影响。

1 概述1.1 土石坝渗流流固耦合原理土石坝渗流场和应力场之间是相互作用及相互影响的。

一方面，渗流体积力和渗透压力随着渗流场的改变而改变，同时使作用在坝体的外荷载发生变化，从而改变了坝体应力场的分布；另一方面，体积应变随着应力场的改变而改变，同时使坝体各部位的孔隙率发生变化，渗透系数也随之变化，从而改变坝体渗流场的分布。

上 游 堆 石 过 渡 层 上游反滤层
∑［ ］ Ｄ］曰 ｛６ ＋∑｛ （ ）△ ｝ Ｂ ［ ［ ］△ ｝ ｍ｝Ｎ ｛“ ＝∑Ｆ （） ２
设［ ＝［ Ｄ］ ， ］ ｍ｝Ⅳ ， Ｋ］ ］ ［ ［ ［ ＝｛ （ ） ］
简写 之 ， 即为 ：
［ ］ △ ｝ Ｌ ］＋［ ｛ ｝＝｛ Ｆ｝ ｛６ ［ Ｌ］△ △ 式 中 ［ ］ — 劲度矩 阵 ； — ［ ｄ — — 耦合 矩 阵。 Ｌ］
增 大 到 １０ １ ． ２ ｍ。对 于 水平 位移 ， 游处 水平 位移 逐 上
３ 计算实例分析
计算模型选取大坝 的最大横 剖面 （ 图 １ ， 见 ） 坝 顶高程 ２５ ００ ｍ， １．０ 坝基高程 为 ２１６０ ｍ， ９． ０ 灌浆帷
渐 较小 ， 游处 水 平 位 移 逐 渐 增 大 。这 是 因为 孔 隙 下 水 的渗透 作用 下产 生 的 ， 渗 透力 的作 用 下 坝 体 水 在
偏 移趋 势 不是 很 明显 。
耦 合 方程 。
由此可见 ， 每一个节点都建立 了三个方程 ， 其中 两个为平衡方程 ， 另一个 为水流连续性方程。静 力 变形分析模块 的全局变量 为应变增量 ， 渗流分 析模 块 中 的全 局 变 量 为孔 隙 水 压 力 增 量 。在 耦 合 分 析 中 ， 隙水压 力 的计算 由渗流 分析 模块 完 成 ， 孔 而后 将
△ “ —— 孑 隙水 压力 增量 。 Ｌ 据虚 位移原 理 ， 将式 （ ） 散 ， １离 可得如 下形 式 ：
渗 流场 和应 力场 的耦 合分 析在 裂 隙岩体 中早 已
成 为热 点 问题 ， 目前 ， 己有 较多 的研究 成果 。对 于 土 体 而言 ， 有代 表性 的是 基 于 Ｂ ｏ 固结理 论 的渗 流 最 ｉｔ

渗流—应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析作者：向华强王建丰土根来源：《科技资讯》2013年第14期摘要：地下水渗流对基坑变形的影响成为当前研究的热点，以苏州工业园区某地下车库基坑为例，采用ABAQUS模拟基坑开挖及支护过程，分析基坑开挖过程中的变形及渗流场规律。

结果表明：在开挖间歇期的坑外地表沉降量均比同期开挖结束后的沉降量要小，而基底隆起量比同期开挖结束后的隆起量要大。

每步开挖间歇结束时，围护墙的水平位移有所减小。

随着开挖的进行，围护墙周围的水头等势线越来越密，地面沉降形状为下凹的盆地形状。

关键词：基坑渗流-应力耦合分析有限元模拟中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（b）-0039-04基坑开挖时，坑内外通常存在着水头差，地下水将在坑内外水头差作用下发生渗流。

基坑开挖过程是地下水渗流与岩土变形动态耦合的过程。

利用渗流-应力耦合理论研究开挖过程中地下水的渗流形态和孔隙水压力场的分布，分析地下水渗流对基坑稳定性的影响具有重要意义。

近几年来，许多研究者在分析渗流稳定问题时，引入了渗流场与应力场的关系，即渗流-应力耦合关系，并在岩土工程的各个领域取得了一定的成果和进展，渗流-应力耦合问题已成了研究的热点问题。

谢兼量[1]进行了渗流应力耦合条件下的海堤边坡稳定性研究；贾善坡等[2]进行了泥岩隧道施工过程中，渗流场与应力场完全耦合的损伤模型研究；张巍等[3]对大型地下洞室群围岩进行了应力-损伤-渗流的耦合分析；张媛媛[4]，苗丽等，周建国等[6]在土坝的渗流场与应力场的耦合应用方面的研究获得了一些进展；王强等[7]，杨永恒[8]，郭娟[9]，周舒威等[10]基于渗流-应力耦合对尾矿坝的稳定性进行了研究；李筱艳[11]、纪佑军等[12]采用渗流-应力耦合分析，求解基坑的渗流场以及位移场。

本文结合苏州工业园区星海街站南北两侧公共地块地下车库项目，利用ABAQUS有限元软件进行了基坑工程在渗流-应力耦合作用下的变形分析，可为基坑工程的设计和施工提供参考。

第20卷 第10期 中 国 水 运 Vol.20 No.10 2020年 10月 China Water Transport October 2020收稿日期：2020-05-05作者简介：朱秀燕，昆明理工大学。

通讯作者：雷红军，昆明理工大学。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51869008）；昆明理工大学引进人才科研启动基金（KKSY201704008）。

粘性土变形-渗流耦合特性研究进展朱秀燕，雷红军，方超磊，孙亚民（昆明理工大学，云南 昆明 650500）摘 要：对于土工建筑物，其土体通常同时承受应力变形和渗流作用，应力场和渗流场的相互作用、相互影响，则会产生变形-渗流耦合作用，这种耦合作用通常是导致土方工程失事的主要原因，因此，对于土体变形-渗流耦合作用的研究具有重要的工程实际意义，本文从粘性土渗透性、接触变形渗流特性、变形-渗流耦合数值模拟三个方面对已有研究成果进行综述，在此基础上分析目前研究中存在的问题并提出展望。

关键词：粘性土；渗透特性；接触渗流；变形-渗流耦合中图分类号：X523 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）10-0145-03一、引言土石坝、堤防、路基等土工建筑物通常同时承受应力变形和渗流作用，随着土体受力发生剪切变形，其体积、孔隙、结构等物理特性发生变化，将直接导致其渗透性的变化，而渗透性变化又会通过渗流场、孔隙水压力的变化对土体受力变形施加影响，即为变形-渗流耦合作用，这种耦合作用通常是导致土工建筑物工程失事的主要原因。

张丙印等通过对心墙堆石坝的心墙应力变形特性进行了数值模拟，得出：心墙粘性土与堆石体及岸坡基岩间均产生较大的不均匀剪切变形[1]。

在发生大剪切变形并承受渗流作用的局部部位，其安全性是工程界非常关注的问题。

实际工程中因上述问题发生破坏的案例较多，例如美国狼溪坝，土坝坝段的粘性土与石灰岩基岩发生剪切变形，从而引发渗漏，导致坝趾附近出现两处塌陷[2]。

岩土体渗流破坏多场耦合机理与渗控关键技术以岩土体渗流破坏多场耦合机理与渗控关键技术为题，本文将探讨岩土体渗流破坏的多场耦合机理以及与渗控相关的关键技术。

一、岩土体渗流破坏的多场耦合机理岩土体渗流破坏是指在岩土体内部或周围发生渗流引起的破坏现象。

岩土体渗流破坏的机理是一个多场耦合的过程，涉及到渗流、固结、强度和应力等多个场的相互作用。

1. 渗流场耦合岩土体渗流破坏的首要条件是渗流的存在。

渗流场是指岩土体内部或周围的流体运动场。

渗流场的特征参数包括渗透率、渗透系数和水头等。

渗流场与固结场、强度场和应力场之间存在相互影响和耦合关系。

2. 固结场耦合固结场是指岩土体内部颗粒之间的力学相互作用和变形过程。

固结场与渗流场的耦合关系表现在渗流对固结过程的影响，如渗流引起的孔隙水压力会改变颗粒之间的接触状态，从而影响固结过程。

3. 强度场耦合强度场是指岩土体内部颗粒之间的强度特性和力学行为。

强度场与渗流场的耦合关系表现在渗流引起的孔隙水压力对岩土体的强度特性的影响。

孔隙水压力的增加会降低岩土体的有效应力，从而降低其强度。

4. 应力场耦合应力场是指岩土体内部或周围的应力状态。

应力场与渗流场的耦合关系表现在渗流引起的孔隙水压力对应力状态的影响。

孔隙水压力的增加会改变应力场分布，从而影响岩土体的稳定性。

二、渗控关键技术为了有效控制岩土体渗流破坏，需要采用一系列渗控关键技术。

1. 渗透性测试技术渗透性测试技术可以用来获取岩土体的渗透性参数，如渗透率和渗透系数。

通过渗透性测试，可以评估岩土体的渗流特性，为后续渗控措施的制定提供依据。

2. 地下水位监测技术地下水位监测技术可以实时监测地下水位的变化情况。

通过监测地下水位的变化，可以判断渗流状况，及时发现渗流破坏的迹象，并采取相应的渗控措施。

3. 排水技术排水技术是通过设置排水系统，将岩土体内部的孔隙水排出，降低孔隙水压力，从而提高岩土体的稳定性。

排水技术包括水平排水、垂直排水和水平-垂直联合排水等。

２０
化， 开 挖 卸 载 也 同 时 在 土 中产 生 负 的 超 静 孔隙 水 压 力 ， 土 中水 在 重力 势 （ 水 头 差） 和压 力势 （ 超静 孔 压 ） 的 共 同作 用 下 发 生渗 流 。 等 势 线 从 入 水 边 界 到 出 水 边 界 逐 渐变 密 集 ， 在 围护 墙 底 部 附 近 分 布 最 密 ， 随 着开 挖 的
０
水 平位移／ｃ ｍ
图３ 支护 结构 水 平 位移 变 化 曲线
２． ４
２． ２
４ 结论
在考 虑渗流作 用的情 况下 ， 基 坑 在 开 挖 间歇 期 的 坑 外 地 表 沉 降量 均 比 同期 开 挖 结 束后的沉降量要 小 ， 而 基 底 隆 起 量 却 比 同期 开 挖 结 束 后 的 隆 起 量 要 大 。 围 护 墙 在 开 挖 过 程 中 的 最 大 水平 位 移 发生 的 位 置 随 着开挖 深度的增大而逐 渐下移 ， 与 各 步 开 挖面 基本保持一致 ， 最终 在 基 坑 底 面处 达 Ｏ ｌ ０ ２０ ３０ ４ ０ ５ ０ ６ ０ 到最大 。 而 在 每 步 开 挖 间 歇 结 束 时 围 护 墙 隔 基 坑 中 轴 线 的 距 ｍ 的 水 平位 移 均 有 所 减 小 。 随 着 开 挖的 进 行 ， 图 ４ 基坑 底 隆起 变 形 曲线 围护 墙 周 围的 水 头 等 势 线 越 来 越 密 ， 流 速 也越来越 大。 地 面 沉 降 形 状 为 下 凹 的 盆 地 此基坑 工程 的分析 共分成 ｌ １ 步， 其中 图３ 为 不 同 开 挖 阶 段 围护 墙 的 水 平 位 形状， 最 大 沉 降 量 不是 出现 在 坑 壁 ， 而 是 离 初 始应力场平 衡为第 一步 ， 基 坑 开 挖 分 三 移 变 化 曲 线 ， 每 步 开 挖 和 间 歇 期 的 趋 势 一 基 坑 一 定 距 离 的地 方 。 次 完成 ， 前 两 次 开 挖 完 成 以 后 分 别加 第 一 致 ， 最 大 水 平 位 移 发 生 的 位 置 随 着 开 挖 深 道、 第二道支撑 。 根 据 工 程 实 际情 况 ， 开 挖 度 的 增 大 而 逐 渐 下 移 ， 与 各 步 开 挖 面基 本 参考文献 层２ Ｏ 天 ， 完 成一道支撑时 间为５ 天， 间 歇 保持 一 致 ， 最 终 在 基坑 底面 处达 到 最 大 。 从 ［ １ 】谢 兼 量 ． 考 虑渗 流 应 力 耦 合 的边 坡 稳 定 图 中还 可 以 看 出 ： （ １ ） 随着 开 挖深 度的 增加 ， 期为５ 天。 性分 析［ Ｄ 】 ． 南京 ： 河海 大 学 ， ２ ０ ０ ７ ． 墙 身 下 部 的位 移 随 之 增 大 ， 而 顶 部 位 移 有 【 ２ 】贾 善坡 ， 陈 卫忠 ， 于洪丹 ． 泥岩 隧 道 施 工 减小的趋势 ， 其 最 大 位 移 发 生 在 第 三次 开 ３ 计算结果与分析 过 程 中 渗 流 场 与 应 力 场 全 耦 合 损 伤 模 ３． １ 降水 开挖 弓 ｌ 起 的基坑 变形 挖 结 束之 后 。 （ ２ ） 在每 步开 挖 间歇 结 束 时 围 型研 究【 Ｊ 】 ． 岩土 力学 ， ２ ０ ０ ９ ， ３ ０ （ １ ） ： １ ９ — 地 下 水 渗 流 作 用 贯 穿 于 基 坑 工 程 整 个 护墙 的 水 平 位 移 均 有 所 减 小 ， 这 是 由于 超 ２６． 施工过程中 ， 无论是降水阶段， 还 是 开 挖 加 静 孔 隙水 压 力 的 消 散 和 渗 流 造 成坑 外水 压 ［ ３ 】张 巍 ， 肖明 ， 范国邦 ． 大 型 地 下 洞 室群 围 使 得 墙 体 的 位移 有 所 回落 ， 有 利 撑 阶段。 而 基 坑 的 变 形 主 要 就 是 桩 体 的 变 力 的减 小 ， 岩 应 力一 损 伤一渗流 应 力耦 合分 析 【 Ｊ 】 ． 岩 形、 桩 后地面沉降和 基坑底部隆起 。 图２ 为 于 基 坑 的 稳 定 性 。 土力学， ２ ０ ０ ８ ， ２ ９ （ ７ ） ： ｌ ８ １ ３ －１ ８ １ ８ ． 二 维 基 坑 模 型 降 水 开 挖 过 程 中的 土 体 沉 降 ３． ３基 坑底 隆起 变形 ［ ４ 】张 媛 媛 ． ＡＮＳ Ｙ Ｓ 在土坝渗 流场和应 力 变形图。 可以 发 现 ： （ １ ） 随 着 开挖 过 程 的 不 断 由于在 基坑开 挖过程 中 ， 土 体 开 挖 卸 场及 其耦合 分析 中的应用研 究【 Ｄ 】 ． 南 基坑土体会产生回弹， 从 而 引起 基坑 底 进行 ， 桩 后 地 面 的 沉 降 量 和 基 坑 底 部 的 隆 载 ， 京： 河海大学 ， ２ ０ ０ ６ ． 图４ 为 基 坑 降水 开 挖 过 程 中 起量都在不断增加 。 （ ２ ） 在 考 虑 渗 流 作 用 的 产 生 隆 起 变 形 。 ５ ］苗丽 ， 郭 雪莽 ， 王复明 ． 基 于 应 力 场 与渗 可 以看 出 ， 基 坑 隆起 ［ 情况下 ， 基 坑 在 开 挖 间歇 期 的 沉 降 变 形 值 基 坑 底 的 隆 起 变 形 量 ， 流 场 耦 合 的土 坝 稳 定 性 分 析 … ． 人 民 黄 均 比同期开挖结 束后的沉 降变形值要小 ， 量 在 基 坑 中 轴 线 处 最大 ， 第 一 层 开 挖结 束 ， 河， ２ ０ ０ ７ ， ２ ９ （ ９ ） ： ７ ５ － ７ ７ ． 而 基 坑 隆 起 量 却 比 同期 开 挖 结 束 后 的 隆 起 最大 隆 起 量达 ， Ｕ ２ ｃ ｍ， 随着 开 挖 的进 行 ， 隆 【 ６ 】周建 国 ， 李淼 ， 郭雪 莽 ． 东 湖 书库 非 均 质 起 量愈 大 ， 全部 开 挖结 束 ， 变形量 为 ２ ． ３ ｃ ｍ。 量要大 ， 但两者的变化 量不大。 土坝 渗 流 场 与应 用场 耦 合 分 析【 Ｊ ］ ． 水 利 无论 是 哪 一 层 开 挖 ， 基 坑 隆 起 量随 着 隔 基 ３． ２支护结构水平位移 电力 机械 ， ２ ０ ０ ７ ， ２ ９ （ ３ ） ： ２ ８ － ３ ０ ．

应力-渗流耦合研究现状综述0前言目前国内外学者对渗流应力耦合已经做了很多研究工作，早期的研究以单裂隙实验研究为主，主要考虑渗透系数随法向应力的变化，之后随着人们对耦合知识的不断加深，逐渐认识到渗流场和应力场之间是相互动态影响的，应力场的改变会导致岩体结构上的变化，从而影响渗流场，而渗流场的变化又会影响应力场的分布，因此出现了基于两者相互作用的理论模型和数学模型的推导，并且采用有限元、离散元等方法进行应力渗流耦合的数值模拟。

1渗流应力耦合试验研究渗流应力耦合试验主要可分为单裂隙渗流耦合试验和裂隙网络渗流应力耦合试验两种。

1.1单裂隙渗流耦合试验对于单裂隙渗流耦合试验，最早是由1868年俄国著名流体学家Boussinesq 从理论上推导出牛顿流体在平行板裂缝中的运动公式。

早期出现许多就渗透性与法向应力之间的关系的研究，如louis根据钻孔压水试验总结出渗透系数与法向应力的经验公式；jones对碳酸盐类岩体进行有围压作用下的渗流试验，得出渗透系数与有效压力之间的经验公式。

现今也有学者对剪应力条件下以及三维应力作用下的试验研究也取得了一定的成果，如刘才华[1]等对规则、均匀、粗糙的裂隙进行渗流剪切试验，得裂隙的渗透性随着剪应力的增加而略有降低；王刚[3]通过对天然裂隙的渗流剪切耦合试验得到裂隙的渗透性随剪切位移的增大而增大并最终趋于稳定；谈然[4]对类砂岩裂隙进行了辐向渗流与剪切耦合试验，研究了剪切过程中裂隙结构面的力学性能。

而三维应力作用下裂隙岩体的研究较少，常宗旭[5]等进行了三维应力作用下单一裂缝岩样渗流规律的实验研究；侯昭飞[6]等开展在三维应力作用下的单裂隙渗流应力耦合试验，得到不同围压、水压情况下，渗流量随时间变化的情况。

1.2裂隙网络渗流应力耦合试验对于裂隙网络渗流应力耦合试验而言，由于天然岩体中裂隙的不规则分布以及各向异性，从这方面进行试验研究有着较大的难度，因此对此类的研究大多以建立理论模型和数值分析为主，也有学者进行室内试验及现场研究。

地下水对边坡等岩体工程的稳定具有极大的影 响， 裂隙岩体渗流主要体现为裂隙渗流。因此 ， 岩体
水力 学 目前 研 究 的 主 要 方 向 是 裂 隙 渗 流 的 基 本 规
位降落产生渗透力变化 ， 都会引起土体 内部 剪应 力 的增大 。随着降雨入渗 ， 土体含水量增大 ， 其强度随
之发生变化。土粒孔隙问的渗流水压力在一般的圆 弧滑动稳定性计算 时， 虽然通过滑动圆心而不产生
证露天矿生产安全具有重要的研究价值和重大的工
程 指导 意义 。
ｌ 渗流对边坡稳定性 影响机理分 析
地下水渗流与边坡稳定有很大关 系。地下水在 渗流压力的作用下 ， 可能带走松散岩层、 断层破碎带 和其他软 弱结 构面 中的细 小颗粒 ， 引起边坡 失稳。 地下水渗流还可使粘土质岩石软 化 、 泥化。有 的岩 坡和膨胀土边坡 由于受渗流作用 而造成体积膨胀 ， 产生较大的膨胀压力 ， 造成边坡失稳 。
谷地带 ， 且被 山脊分隔成南北平行 的 ６ 个条带 。由 于多次构造作用的影响， 加之采场爆破震动作用 ， 岩 石裂隙较发育 ， 并互相交 叉， 岩石破碎程度 高， 使地 下水赋存较为充沛。黑云母安山玢岩和构造破碎裂 隙岩石含水性弱 ， 透水性 差 ， 富水程度 也较差 ， 典型 的绿泥片岩化安山玢岩广泛分布于燕 门凹大断层北 侧， 由于动力 变化作用 的强烈挤压 ， 片理严重 ， 风化 严重 ， 甚至“ 泥化” 崩解 ， 强度很低ｌ。北部边坡岩体 ３ ］
收稿 日期 ￣０６ ３— ８ ２０ —０ —１ 回 ２０ —０ ２ ； ６ ７ ２修 ０
作者简介 ： 任高峰（９９一 ， 从事采矿 工程 、 １ ＿） 男， ７ 岩石 力学
与工程方 面的科研 与教 学工作。

基于GeoStudio的边坡渗流场与应力场耦合分析程彬;卢靖【摘要】以陕西府谷县清水川电厂Ⅲ号边坡为研究对象,选用边坡一典型剖面,采用GenxStudio软件中的渗流分析模块Seelp/W、应力应变分析模块Sigma/W和边坡稳定性分析模块Slope/W进行边坡稳定性的流固耦合,即应力场与渗流场的耦合分析及安全系数的计算,通过算例对比了耦合与非耦合情况下应力场、边坡稳定性的差异,说明耦合分析更符合实际.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2010(036)003【总页数】2页(P146-147)【关键词】渗流场;应力场;耦合分析;GeoStucdio【作者】程彬;卢靖【作者单位】煤炭科学研究总院西安研究院,陕西西安,710054;铁一院集团甘肃铁道综合工程勘察院,甘肃兰州,730000【正文语种】中文【中图分类】TU457工程岩土体存在于应力场、渗流场等多场并存的复杂地质环境中,各场之间相互影响、相互作用,构成一种耦合关系。

在大批工程建设中,由于岩土体应力场与渗流场发生改变,经常会引起一系列问题。

本文的工作就是利用GeoStudio软件中的Slope/W具有可以引入Sigma/W和Seep/W计算结果的功能,以及Sigma/W可以引入Seep/W计算结果的功能,分别计算不考虑耦合情况下和考虑耦合的情况下边坡的安全系数,以此来进行边坡稳定性的评价。

1 GeoStudio软件耦合计算原理[2]1.1 概述GeoStudio系统软件是由全球著名的加拿大岩土软件开发商Geo-Slope公司在20世纪70年代开发的面向岩土、采矿、交通、水利、地质、环境工程等领域的一套仿真分析软件,它包含Slope/W,Sigma/W,Seep/W以及Quake/W等一系列的分析模块。

1.2 耦合分析计算原理Sigma/W的全局变量为应变增量,Seep/W中的全局变量为孔隙水压力增量。

耦合分析中,Seep/W完成孔隙水压力的计算后将每一时段孔隙水压力作为一种节点荷载赋予到Sigma/W中,在Sigma/W中计算每一时段土体应力应变的变化。

基于 MIDAS／GTS 的高压隧洞渗流场与应力场耦合分析陈坤城;张巍;黄立财【摘要】MIDAS/GTS is a finite element analysis software for geotechnical and tunnel.By use of this software, coupling analysis of seepage field and stress field of tunnel with high-pressure is numerical simulated, which combined with Huizhou Pumped Storage Power Station in Guangdong Province.According to comparative analysis with other program’s results, the reliability and practicality of MIDAS/GTS are verified.It can be applied to similar projects in coupling analysis of seepage field and stress field of high-pres-sure tunnel.%MIDAS／GTS是针对岩土和隧道的有限元分析软件，利用该软件结合广东省惠州抽水蓄能电站工程，对高压隧洞渗流场与应力场耦合分析进行了数值模拟，并与其他程序计算结果进行了对比分析，验证了MIDAS／GTS软件计算结果的可靠性和实用性，可将其应用于同类工程渗流场与应力场耦合分析中。

【期刊名称】《广东水利水电》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】4页(P22-25)【关键词】MIDAS/GTS;高压隧洞;渗流场;应力场;耦合【作者】陈坤城;张巍;黄立财【作者单位】广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州 510635;广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州 510635;广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州 510635【正文语种】中文【中图分类】TV223.4随着《国家发改委关于促进抽水蓄能电站健康有序发展有关问题的意见》中明确指出了要适度加快抽水蓄能电站建设步伐，提出了到2025年全国抽水蓄能总装机约1亿kW的目标。