ANSYS邊坡生態(tài)修復(fù)數(shù)值模擬應(yīng)用研究

崔滿強(qiáng)

（滄州水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河北滄州061000）

中國(guó)水利發(fā)展“十二五”規(guī)劃提出了“十二五”水利改革發(fā)展的目標(biāo)，并確定了6項(xiàng)主要任務(wù)。其中一項(xiàng)涵蓋了繼續(xù)開(kāi)展水土保持與水生態(tài)修復(fù)，進(jìn)一步加強(qiáng)水土流失的防治，加大坡耕地水土流失治理力度，積極推進(jìn)清潔型小流域建設(shè)等內(nèi)容。對(duì)河道進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，就是要通過(guò)生態(tài)構(gòu)建方法，在修復(fù)區(qū)域內(nèi)有重點(diǎn)、分層次的進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。顯而易見(jiàn)，要順利地完成好水土保持與水生態(tài)修復(fù)等任務(wù)，就必須處理好邊坡的設(shè)計(jì)與修復(fù)等問(wèn)題。邊坡是自然或人工形成的斜坡，是人類工程活動(dòng)中最基本的地質(zhì)環(huán)境之一，也是工程建設(shè)最常見(jiàn)的工程形式［1］。在進(jìn)行水利工程設(shè)計(jì)與施工的過(guò)程中，必須要顧及到邊坡的環(huán)境效應(yīng)，并且把可持續(xù)發(fā)展置于環(huán)境之中。

1 邊坡問(wèn)題的相關(guān)理論

1.1 影響邊坡穩(wěn)定性的因素

影響邊坡穩(wěn)定性的因素有很多，概括出來(lái)主要分兩大類：自然因素和人為因素。自然因素主要指的是邊坡所處范圍的地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地下水及地表地形、地震等；人為因素指的是人類的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)對(duì)邊坡的作用。

1.2 邊坡的生態(tài)處理

邊坡的生態(tài)處理主要是利用植物，單獨(dú)或與其他構(gòu)筑物配合對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)和植被恢復(fù)的一種綜合技術(shù)。包含綠化景觀、固土保水、防止淺層滑坡、塌方等生物環(huán)境的基本內(nèi)容。

邊坡生態(tài)治理是跨越多個(gè)學(xué)科的邊緣領(lǐng)域。特別是水土保持工程學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，直接影響邊坡生態(tài)處理的效果。

常用的邊坡治理大致可分為土工護(hù)坡和生物護(hù)坡兩大類。以往工程界單純從力學(xué)角度出發(fā)，定量分析邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題，采取石料或混凝土擋墻和護(hù)面等。這樣做雖然能在一定程度上克服邊坡帶來(lái)嚴(yán)重的水土流失和滑坡、泥石流等災(zāi)害，但如果處理不當(dāng)或考慮不周全，也可能帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。

1.3 邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)方法

對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)一是要對(duì)與工程有關(guān)的天然邊坡穩(wěn)定性做出定性和定量評(píng)價(jià)；二是要為合理地設(shè)計(jì)人工邊坡和邊坡變形破壞的防治措施提供依據(jù)。

邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的方法可以從定性和定量角度去考慮，定性分析方法和定量分析方法。

1.3.1 定性分析方法

主要是分析影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制、變形破壞的可能方式及工程的綜合功能等，對(duì)邊坡的成因及演化歷史進(jìn)行分析，以此評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定狀況及其可能發(fā)展趨勢(shì)。主要有地質(zhì)分析法（歷史成因分析法）、工程地質(zhì)類比法、圖解法等。

1.3.2 定量分析方法

雖然有極限平衡法、數(shù)值分析方法，但實(shí)質(zhì)上是一種半定量的方法，雖然評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)為確定的數(shù)值，但最的終判定情況仍依賴人為的判斷，所有定量的計(jì)算方法都是基于定性方向之上。

2 ANSYS有限元分析基本理論與方法

ANSYS有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。并利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素（單元），就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、熱、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。ANSYS作為一個(gè)有限元分析軟件，是一種數(shù)學(xué)工具。ANSYS軟件主要包括3個(gè)板塊：前處理模塊、求解模塊和后處理模塊。

2.1 前處理模塊

主要提供一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；

2.2 求解模塊

分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；

2.3 后處理模塊

可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。對(duì)ANSYS進(jìn)行操作有GUI（Graphical User Interface 圖形用戶界面）方式和APDL（ANSYS parametric design language參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言）方式。本文以APDL的形式編寫命令流，并對(duì)算例進(jìn)行數(shù)值模擬。

3 邊坡穩(wěn)定分析的有限元法

有限元法的基本思想是將連續(xù)體用網(wǎng)格劃分為有限數(shù)目的單元體，形成離散結(jié)構(gòu)，用來(lái)替代原來(lái)的連續(xù)結(jié)構(gòu)，從而更好地進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系可表示為｛σ｝=｛Dep｝·｛ε｝。其中｛Dep｝為彈塑性矩陣。由虛位移原理和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可建立結(jié)點(diǎn)荷載與結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，即用位移表示的結(jié)點(diǎn)平衡方程組：［K］﹛δ﹜=﹛R﹜。其中［K］、﹛δ﹜、﹛R﹜分別為剛度矩陣、結(jié)點(diǎn)位移和結(jié)點(diǎn)荷載列陣，解此方程組可得位移場(chǎng)，進(jìn)而推出應(yīng)變｛ε｝和應(yīng)力｛σ｝的分布。根據(jù)不同強(qiáng)度指標(biāo)確定破壞區(qū)的位置及破壞范圍的發(fā)展情況，將局部破壞與整體破壞聯(lián)系起來(lái)，求合適的臨界滑裂面位置和整體安全系數(shù)［2］。

工程界在對(duì)待邊坡穩(wěn)定分析的問(wèn)題時(shí)，通常是假設(shè)土體為理想塑性材料，卻忽視了土體本身的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。如果考慮土體的非線性本構(gòu)方程，利用ANSYS對(duì)邊坡進(jìn)行有限元法分析，把土坡區(qū)域劃分為許多小單元，就能夠求出每一個(gè)單元的應(yīng)力與應(yīng)變。

4 工程實(shí)例

流經(jīng)某市的一條河，在特定的流域內(nèi)，河流與邊坡的斷面如圖1所示。邊坡材料大致分為路基材料和土體兩類，水面與地面高差6m，岸邊用護(hù)欄圍住。為創(chuàng)造安全且舒適的水邊空間，滿足市民的親水需求，考慮對(duì)邊坡進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。拆除原有護(hù)欄，對(duì)近水一側(cè)的土體進(jìn)行生態(tài)改造，修復(fù)后的斷面如圖2所示，將來(lái)在此區(qū)域種植被，以達(dá)到美化、綠化城市的效果。其中路基材料的彈性模量E=22GPa，泊松比0.18，密度2500kg/m。天然土體彈性模量E=2GPa，泊松比0.35，容重γ=19.2 kN/m3。由于施工期大型降雨的影響，假定修復(fù)土體全部將達(dá)到飽和，完全飽和狀態(tài)下的土體的各項(xiàng)物性參數(shù)：彈性模量E=105kPa，黏聚力C=2.0kPa，內(nèi)摩擦角φ=25°，泊松比為0.35，容重γ=23 kN/m3。文中通過(guò)有限元分析計(jì)算，探討經(jīng)過(guò)生態(tài)修復(fù)以后邊坡的土體在完全飽和情況下的穩(wěn)定狀況。

圖1 河流與邊坡斷面原狀

圖2 修復(fù)后的河流與邊坡斷面

5 ANSYS有限元模型建立

算例中的路基材料可視為彈性材料，對(duì)修復(fù)的土體部分視為理想的彈塑性材料。對(duì)于邊坡穩(wěn)定問(wèn)題而言，土體的屈服主要是由于剪切因素造成的，計(jì)算的過(guò)程將通過(guò)彈性模型來(lái)計(jì)算土體的位移和應(yīng)力場(chǎng)，最后通過(guò)定義單元表的形式將摩爾（Mohr）—庫(kù)侖（Coulomb）強(qiáng)度準(zhǔn)則引入，對(duì)單元的屈服強(qiáng)度狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。

針對(duì)二維邊坡的應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題，本次建模選擇plane82單元。plane82單元是二維八節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，為四邊形和三角形混合自動(dòng)網(wǎng)格劃分提供了更精確的結(jié)果，且在不損失精度的條件下，允許不規(guī)則形狀的存在，具有相容的位移形式，非常適合模擬具有曲線邊界的幾何模型?，F(xiàn)利用ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)修復(fù)后的邊坡進(jìn)行建模。實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)表明，邊坡的影響范圍在2倍坡高范圍?？紤]到邊界效應(yīng)影響計(jì)算的結(jié)果，為盡量減小邊界效應(yīng)在有限元計(jì)算中的影響，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，建模時(shí)取斷面模型寬45m，左邊界高10m，右邊界高4m，然后施加邊界條件及荷載，最后求解。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）進(jìn)入ANSYS后處理階段，可以得到土體的位移、應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果，如圖3。在飽水狀態(tài)下，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算，得到邊坡的塑性分布如圖4。

圖3 位移、應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

圖4 塑性分布圖（Mohr-Coulomb準(zhǔn)則）

（2）從應(yīng)力、應(yīng)變角度上分析，從左到右、從上到下總體呈增大趨勢(shì)；邊坡的塑性分布圖顯示土體并未屈服；從位移趨勢(shì)上看，從坡底到坡頂位移逐漸增大，但最大位移仍小于1cm，出現(xiàn)在坡頂部分。結(jié)果表明此類經(jīng)修復(fù)的河道湖岸，由于坡高較低，降雨入滲達(dá)飽和對(duì)其位移的影響不大，處于穩(wěn)定狀態(tài)?？砂丛?jì)劃進(jìn)行植被的栽種及邊坡的綠化工作，不必?fù)?dān)心邊坡大面積的塌陷造成的不利影響。

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