陶乙緯 郭俊華 周嘉軍

摘 要：本文基于有限元分析軟件ABAQUS，采用有限元強度折減法分析土石壩在設(shè)計洪水位作用下的應(yīng)力、位移及安全穩(wěn)定性，算出土石壩在滲透壓力下的安全系數(shù)，從而為土石壩的維修建設(shè)提供有效的參考。

關(guān)鍵詞：ABAQUS；土石壩；強度折減法；穩(wěn)定性

0 引言

我國是世界上擁有水庫大壩最多的國家，但其中大多數(shù)為上世紀(jì)80年代建成的土石壩，對水庫大壩的安全問題不可掉以輕心。據(jù)統(tǒng)計，自 上世紀(jì)50年代以來，我國已有 3400多座水庫大壩發(fā)生事故，造成了嚴(yán)重的后果。隨著國家戰(zhàn)略的推進(jìn)，中國將在西部地區(qū)建設(shè)一定量的水壩工程，這些工程所在地區(qū)地勢較為復(fù)雜，覆蓋層深厚，建筑材料物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，環(huán)境惡劣，對大壩安全相關(guān)的試驗技術(shù)、基礎(chǔ)理論和模擬方法等提出了更高要求。

邊坡穩(wěn)定一直以來都是分析土石壩安全問題的關(guān)鍵，由于土石料材料性質(zhì)復(fù)雜，使得傳統(tǒng)的應(yīng)力，位移計算較為困難。近年來，由于計算機技術(shù)的快速發(fā)展，眾多數(shù)值模擬方法被應(yīng)用到巖土工程中來。有限單元法由于其良好的適應(yīng)性，并且能很好的模擬各種土體的本構(gòu)關(guān)系，而受到許多巖土學(xué)者的青睞。本文涉及的研究選用基于ABAQUS有限元軟件環(huán)境下的強度折減法，對土石壩在設(shè)計洪水位條件下進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析[1]。

1 計算原理

1.1 強度折減技術(shù)

有限元強度折減法即通過不斷的降低巖土體的抗剪強度直到達(dá)到極限狀態(tài)，然后根據(jù)有限元計算結(jié)果得到安全穩(wěn)定系數(shù)[49]。

對于Mohr-Coulomb材料，強度折減法表示為：

1.2有限元強度折減法的失穩(wěn)判據(jù)

采用有限元強度折減法分析邊坡問題的重要一點是如何通過計算結(jié)果來判斷邊坡是否達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)。目前，大體上有三類邊坡失穩(wěn)判據(jù)被廣泛采用：（1）以有限元計算不收斂為判據(jù)，（2）以等效塑性應(yīng)變從坡腳貫通至坡頂為判據(jù)，（3）以邊坡破面上特征點的位移突變?yōu)榕袚?jù)。目前，由于對邊坡的整體破壞還未形成統(tǒng)一認(rèn)識，在選取有限元分析邊坡失穩(wěn)判據(jù)時尚未確定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但是每種判據(jù)得出的安全系數(shù)差距很小。本文選取以塑性應(yīng)變區(qū)貫通作為斜坡失穩(wěn)判據(jù)，可以直觀地根據(jù)塑性區(qū)應(yīng)變貫通情況分析海底滑坡變化情況。

2 工程概況及數(shù)值模型

2.1土石壩模型介紹

某均質(zhì)土石壩，壩高48米，壩頂寬度8米，土石壩的上下游邊坡的坡度分別為：1：2.5和1：2.0，壩基為完整巖體。計算壩體在設(shè)計洪水位作用下的壩體應(yīng)力、位移及邊坡穩(wěn)定系數(shù)。其中設(shè)計洪水位44米，下游水位3.0米，假設(shè)壩基高程為0.0米。土體參數(shù)：粘聚力39kPa，內(nèi)摩擦角為24度，滲透系數(shù)為4.8.0×10-4cm/s。

模型中土石壩壩體為均質(zhì)體，采用ABAQUS有限元計算軟件， 對土石壩最大橫斷面進(jìn)行有限元分析。模型的左右邊界均采用水平約束，底面為水平和豎向約束。

模型中的荷載主要來自于壩體的自重以及兩側(cè)邊界水位產(chǎn)生的滲透壓力。首先對整體模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡，之后施加滲透壓力，對壩體的應(yīng)力及位移情況進(jìn)行分析，最后分析在設(shè)計洪水作條件下的壩體穩(wěn)定性。

2.2強度折減法的運用

1.先定義一個場變量，并將其設(shè)為強度折減系數(shù) 。

2.定義隨場變量變化的材料模型參數(shù)。

3.在分析開始給定場變量的具體大小，同時對模型施加重力荷載，從而建立平衡應(yīng)力狀態(tài)；為了防止壩體此時破壞，F(xiàn)應(yīng)取較小數(shù)值，如F<1 ，即放大了強度[3-4]。

4.在之后的分析步中線性增加場變量 ，直到計算終止（數(shù)值不收斂）后對結(jié)果進(jìn)行分析處理，并按照失穩(wěn)評價標(biāo)準(zhǔn)得出安全系數(shù)。

3 計算成果與分析

3.1應(yīng)力分析

由于ABAQUS中以拉為正[5]，巖土工程中的大主應(yīng)力在ABAQUS中對應(yīng)于小主應(yīng)力。通過模擬計算得到設(shè)計洪水作用及強度折減作用下土石壩的屈服應(yīng)力的分布規(guī)律：壩體屈服應(yīng)力及小主應(yīng)力呈對稱分布，屈服應(yīng)力值隨壩體斷面高程增加而減小，中間區(qū)域應(yīng)力比較集中，而小主應(yīng)力的數(shù)值大小與壩體斷面高程呈正比關(guān)系。壩體屈服應(yīng)力的最大值為319Kpa，小主應(yīng)力的最大值為9.274Kpa。

3.2位移分析

在自重和滲透壓力作用下，壩體的水平位移分布規(guī)律大致呈對稱分布，并各自指向?qū)?yīng)的坡外方向；壩體上設(shè)計水位斜坡水平位移明顯要遠(yuǎn)大于壩體下游。這是由于壩體上游面的水位要高于下游面，上游壩體的滲透力比下游要大。因此在實際工程中應(yīng)對壩體所能承受的水位進(jìn)行控制。一旦發(fā)現(xiàn)水位偏高情況，應(yīng)立刻采取合理措施來保護(hù)壩體的穩(wěn)定。

隨著土坡強度的減小，而上游高水位的滲透力比較大，進(jìn)而使高水位下的壩體面出現(xiàn)較大位移，由中間局部區(qū)向兩側(cè)坡腳逐漸擴(kuò)散，從而導(dǎo)致壩體失穩(wěn)。所以在實際工程中應(yīng)避衰減情況的發(fā)生。

3.3穩(wěn)定性分析

通過模擬可以發(fā)現(xiàn)PEMAG（積分點上的等效塑性應(yīng)變），PEEQ（累積塑性應(yīng)變）在t=0.9242時出現(xiàn)了塑性區(qū)的貫通現(xiàn)象，此時所對應(yīng)的安全系數(shù)為 。

4 結(jié)束語

1）本文運用強度折減法分析了土石壩在考慮自重及滲透壓力條件下的應(yīng)力、位移及穩(wěn)定性情況，對于abaqus在實際工程中的應(yīng)用具有一定的參考價值。

2）水位的高低會對土坡穩(wěn)定產(chǎn)生很大的影響，嚴(yán)重時會造成壩體的破壞。因此在工程上應(yīng)盡量避免出現(xiàn)高水位的情況，一旦出現(xiàn)應(yīng)及時做好排水措施，從而減小滲透力對土石壩體的影響，從而避免事故的發(fā)生。

3）土石壩體強度折減也是影響其穩(wěn)定性的主要因素之一。在工程中應(yīng)密切注意土石壩體的材料參數(shù)，對土層強度加以控制，定期對壩體材料的強度進(jìn)行檢測，從而避免滑坡等自然災(zāi)害的出現(xiàn)，達(dá)到延長壩體使用年限的目的。

4）本文通過ABAQUS分析得出了土石壩在滲透壓力下的安全系數(shù)為 ，雖然存在一定誤差，但仍具有參考價值，可為之后土石壩的三維建模提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 祁慶和，水工建筑物[M].北京：水利水電出版社，1992

[2] 李湛，欒茂田.土石壩擬靜力抗震穩(wěn)定分析的強度折減有限元法[J].巖土力學(xué)2010，31（5）：1503-1509

[3] 史旦達(dá)，鄧益兵，蔣建平，劉文白.ABAQUS軟件的工程應(yīng)用實例集[M].人民交通出版社股份有限公司，2015.1

[4] 田叢秋.水利工程建設(shè)中土石壩技術(shù)的應(yīng)用[J]. 民營科技.2014（02）

[5] 陳銳.水利工程土石壩的工程施工[J].黑龍江水利科技.2014（02）

[6] 趙開偉，李同春，程井，丁林，季昀.土石壩施工模擬中填筑層數(shù)的選取[J].水電能源科學(xué). 2014（04）