基于ABAQUS的土石壩穩(wěn)定性分析

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(qiáng)度折減法分析土石壩在設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jì)，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(yàn)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(jì)算較為困難。近年來，由于計(jì)算機(jī)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(qiáng)度折減法，對土石壩在設(shè)計(jì)洪水位條件下進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析[1]。

1 計(jì)算原理

1.1 強(qiáng)度折減技術(shù)

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

對于Mohr-Coulomb材料，強(qiáng)度折減法表示為：

1.2有限元強(qiáng)度折減法的失穩(wěn)判據(jù)

采用有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡問題的重要一點(diǎn)是如何通過計(jì)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(jì)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(diǎn)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(jì)算壩體在設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)洪水作條件下的壩體穩(wěn)定性。

2.2強(qiáng)度折減法的運(yùn)用

1.先定義一個場變量，并將其設(shè)為強(qiáng)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(qiáng)度[3-4]。

4.在之后的分析步中線性增加場變量 ，直到計(jì)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(jì)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(jì)算得到設(shè)計(jì)洪水作用及強(qiáng)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(jì)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(shí)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(qiáng)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(shí)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(diǎn)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(yùn)用強(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)度加以控制，定期對壩體材料的強(qiáng)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)：

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