孫 豐（上海海事大學(xué),上海201306）

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考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合的面板堆石壩穩(wěn)定性分析

孫 豐
（上海海事大學(xué),上海201306）

摘 要：為進(jìn)行滲流作用下的邊坡穩(wěn)定性分析，需考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)之間的相互耦合作用。本文以土坡穩(wěn)定分析理論為基礎(chǔ)，結(jié)合有限元強(qiáng)度折減法理論，利用ABAQUS軟件對(duì)面板堆石壩壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)考慮滲流作用的有限元強(qiáng)度折減邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算方法，模擬計(jì)算得出兩場(chǎng)耦合與非耦合情況下的壩坡安全系數(shù)。并結(jié)合天生橋面板堆石壩進(jìn)行滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的非耦合和耦合兩種情況下的邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算。得出在兩場(chǎng)耦合情況下，面板堆石壩的豎向位移與水平位移均較不考慮耦合情況下的位移偏大；同樣兩場(chǎng)耦合情況下的最大壓應(yīng)力及安全系數(shù)均較不考慮耦合的大。所以在模擬計(jì)算中要考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合，以便與實(shí)際工程數(shù)據(jù)更為吻合。

關(guān)鍵詞：滲流；耦合作用；穩(wěn)定；安全系數(shù)

1 實(shí)驗(yàn)算例的工程概況及分析模型

本文以天生橋面板堆石壩作為模擬對(duì)象，在校核洪水位的工況下對(duì)其壩坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。天生橋面板堆石壩最大壩頂高程791m，壩高178m，是我國(guó)目前最高的混凝土面板堆石壩，在同類壩型中位居世界第二。校核洪水位為789.86m。本文屈服準(zhǔn)則采用ABAQUS摩爾庫侖準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。采用八節(jié)點(diǎn)四邊形的實(shí)體2D單元PLANE82模擬邊坡內(nèi)的主、次堆石材料，施加荷載和構(gòu)造邊界條件直接加在有限元模型上。本次分析中約束形式為：兩側(cè)邊界只對(duì)水平方向的位移進(jìn)行約束，底部對(duì)水平方向和豎直方向均產(chǎn)生約束，頂部和邊坡臨空面無約束。

本論文天生橋面板堆石壩的模型分析包含三個(gè)分析步，第一個(gè)分析步施加重力荷載獲得初始應(yīng)力狀態(tài)。第二個(gè)分析步施加靜水水壓力，邊界條件為滲流邊界條件。第三個(gè)分析步進(jìn)行強(qiáng)度折減。在此計(jì)算中，將其分成兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)算，強(qiáng)度折減步單獨(dú)計(jì)算，這樣一方面可以節(jié)約反復(fù)試算的時(shí)間，另一方面在強(qiáng)度折減中的位移就不包含重力及水壓力加載引起的位移，直接反映了強(qiáng)度折減的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用ABAQUS軟件中的強(qiáng)度折減分析法進(jìn)行模擬。

根據(jù)失穩(wěn)判據(jù)看來，當(dāng)Fs=1.13時(shí)水平位移有明顯的拐點(diǎn)，但依然收斂。本文以位移拐點(diǎn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到安全系數(shù)為1.13。在得到該安全系數(shù)之前，按照強(qiáng)度折減理論，依次對(duì)邊坡參數(shù)選取1.10、1.11、1.12、1.13、1.14的系數(shù)進(jìn)行折減。發(fā)現(xiàn)計(jì)算程序在F=1.13時(shí)仍然收斂，當(dāng)F=1.14時(shí)，計(jì)算不收斂。根據(jù)有限元程序收斂準(zhǔn)則可以暫判斷邊坡的折減系數(shù)為1.13。耦合前后的壩體應(yīng)力、位移及安全系數(shù)如下表1所示：

表1 耦合前、后的壩體位移、應(yīng)力、安全系數(shù)

考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合的情況下，豎直位移最大值與水平位移最大值為均大于不考慮兩場(chǎng)耦合的情況下豎直位移最大值和水平位移最大值?？赡艿脑蚴牵嚎紤]到面板堆石壩壩坡內(nèi)垂直壓力比水平壓力大，使得水平方向滲透系數(shù)減小幅度比垂直方向的大。另外，由于滲透力的作用使下游壓力大于上游壓力，從而下游滲透系數(shù)大于上游滲透系數(shù)，因此下游的豎向位移與水平位移較上游的大。因此豎向位移最大值發(fā)生在壩頂偏下游一帶，而水平位移最大值發(fā)生在下游約1/2處。從穩(wěn)定安全系數(shù)來看，耦合作用下穩(wěn)定安全系數(shù)1.13大于非耦合作用的1.10，強(qiáng)度折減法計(jì)算后的塑性區(qū)發(fā)生在壩坡下游，在考慮兩場(chǎng)耦合情況下，當(dāng)安全系數(shù)達(dá)到1.13時(shí)，塑性區(qū)自下游壩坡貫通。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜上所述，基于ABAQUS軟件利用強(qiáng)度折減法理論進(jìn)行壩坡安全穩(wěn)定性分析是完全可行的。相比瑞典圓弧法及簡(jiǎn)化的Bishop法更簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，為工程設(shè)計(jì)提供了可行的理論依據(jù)。 計(jì)算結(jié)果表明，大壩的滲流場(chǎng)由壩體的滲透系數(shù)控制，而壩體應(yīng)力場(chǎng)的變化對(duì)壩體材料的滲透系數(shù)有所影響，而變化了的滲透系數(shù)又會(huì)對(duì)大壩應(yīng)力單元產(chǎn)生影響，影響應(yīng)力大小，進(jìn)而使大壩應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生變化。由此得出應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合的穩(wěn)定滲流分析理論更為合理 ，計(jì)算結(jié)果也更可靠，在數(shù)值模擬計(jì)算過程中要注意兩場(chǎng)的耦合。從工程算例的計(jì)算結(jié)果可看出，考慮耦合作用的影響，應(yīng)力場(chǎng)的各應(yīng)力分量的最大值增大，位移場(chǎng)的位移分量最大值增大，安全系數(shù)增大。因此在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析時(shí)應(yīng)因充分考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用影響，使計(jì)算結(jié)果更符合工程實(shí)際。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.189

作者簡(jiǎn)介：孫豐（1991-），女，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，研究方向：水工結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究。