基于ABAQUS的堆石壩滲流分析

邢爽

摘要：為同時考慮粘土心墻堆石壩滲流場和應(yīng)力場耦合作用，采用 abaqus 軟件計算了正常蓄水位時壩體位移、應(yīng)力特性及滲流時壩體邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果表 明，大壩在正常蓄水位下不會出現(xiàn)滲流破壞，心墻壩的應(yīng)力-應(yīng)變符合一般規(guī)律，壩體的應(yīng)力和變形形態(tài)符合一般規(guī)律，壩體的應(yīng)力和變形形態(tài)基本良好， 在穩(wěn)定滲流作用下，上下游壩坡穩(wěn)定，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：堆石壩;有限元;ABAQUS;流固耦合

1有限元及 ABAQUS 簡介

1.1有限元簡介。有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解， 而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

1.2 ABAQUS 簡介。ABAQUS 是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。 作為通用的模擬工具，ABAQUS 除了能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力 / 位移）問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析（流體滲透 / 應(yīng)力耦合分析）及壓電介質(zhì)分析。

ABAQUS 有兩個主求解器模塊— ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。

ABAQUS 還包含一個全面支持求解器的圖形用戶界面，即人機交互前后處理模塊 — ABAQUS/CAE 。 ABAQUS 對某些特殊問題還提供了專用模塊來加以解決。

2問題描述與基本原理

2.1問題基本描述。某擋河大壩由左岸、河中碾壓混凝土重力壩和右岸粘土心墻堆石壩組成混合壩?；炷敛糠謮雾敻叱虨?1139m，心墻堆石壩部分壩頂高程為 1141m，兩壩型壩頂間通過 5%的坡相連。碾壓混凝土重力壩部分最大壩高 159m，心墻堆石壩部分最大壩高 71m。壩頂總長 1158m，其中混凝土壩部分 838m，心墻堆石壩部分 320m。正常蓄水位 1134m。

混凝土壩和心墻堆石壩之間采用插入式軟接頭布置形式：心墻堆石壩的防滲體為土質(zhì)心墻，采用自上而下逐漸加固的形式。心墻頂寬 6m，兩側(cè)坡度為1：0.2，。為保護心墻不發(fā)生滲透變形，在心墻的上下游均布置了兩層反濾層，上游側(cè)厚度均為 3m、下游側(cè)厚度為 4m。心墻在靠近軟硬接觸面頂部約 82m 處開始漸變?yōu)?12m，上游坡比保持 1：0.2，下游坡比變?yōu)?1：0.5。下游兩層反濾的厚度漸變?yōu)?6m，混凝土壩的 42#壩段插入堆石壩中，與堆石壩的接觸面坡度為 1：0.3。粘土心墻與混凝土接觸面 2m 范圍內(nèi)由純粘土填筑。上下游的兩層反濾均向左延伸過接觸面，包裹粘土心墻。在連接部位，上游粘土心墻伸過接觸面 10m，并向左岸放坡 1：0.2，下游粘土心墻則完全攔擋在右側(cè)。壩體的上下游堆石向左伸過軟硬接觸面，上游堆石已包裹至岸邊溢洪道的壩前，而下游包裹的堆石則被溢洪道泄槽的右邊墻支擋。堆石壩粘土心墻在靠近接頭部分心墻頂寬漸變?yōu)?12m，上有坡度保持 1：0.2，下游側(cè)坡漸變?yōu)?1：0.5。

2.2流固耦合基本原理。流固耦合問題可由其耦合方程定義，這組方程的定義域同時有流體域與固體域。而未知變量含有描述流體現(xiàn)象的變量和含有描述固體現(xiàn)象的變量，一般而言具有以下兩點特征：

1）流體域與固體域均不可單獨地求解

2）無法顯式地削去描述流體運動的獨立變量及描述固體現(xiàn)象的獨立變量從總體上來看，流固耦合問題按其耦合機理可分為兩大類：

第一類問題的特征是耦合作用僅僅發(fā)生在兩相交界面上，在方程上的耦合是由兩相耦合面上的平衡及協(xié)調(diào)來引入的如氣動彈性、水動彈性等。

第二類問題的特征是兩域部分或全部重疊在一起，難以明顯地分開，使描述物理現(xiàn)象的方程，特別是本構(gòu)方程需要針對具體的物理現(xiàn)象來建立，其耦合效應(yīng)通過描述問題的微分方程來體現(xiàn)。

3有限元建模分析

3.1有限元計算原理

3.1.1有效應(yīng)力原理。在 abaqus 中應(yīng)力以拉為正，而液體壓力u w 和氣體壓力ua 則以壓為正。因此 abaqus 中有效應(yīng)力原理為

3.1.2滲透定律

3.1.3定義與空壓相關(guān)的孔隙流動

3.1.4飽和度和基質(zhì)吸力之間的關(guān)系

在土體這種孔隙材料中，土體非飽和意味著總空隙水壓力uw <0，- uw 反映了材料的基質(zhì)吸力。

但利用 abaqus 分析非飽和土問題時，必須分別指定吸濕曲線和脫水曲線以及在兩者之間的變化規(guī)律。否則，不論uw 是多少，abaqus 都會將土視為完全飽和的，達不到非飽和滲流分析目的。

3.1.5soils 中的分析類型

穩(wěn)態(tài)分析認為流體的流動速度、體積等都隨時間不變化。因而穩(wěn)態(tài)分析中的時間選擇只和本構(gòu)模型材料的率效應(yīng)有關(guān)系。穩(wěn)態(tài)分析步中，載荷隨分析步的時間變化是線性。穩(wěn)態(tài)分析是強非對稱的，因而在穩(wěn)態(tài)分析中自動采用非對稱的剛度矩陣存儲和求解方法。

4結(jié)論

通過對堆石壩的數(shù)值模擬，了解到在滲流過程中飽和區(qū)域存在正孔壓， 而非飽和區(qū)域存在負孔壓（即基質(zhì)吸力）;逸出點的滲流速度最大，與實際情況一致;粘土心墻起到了防滲的效果;由于在接頭處存在繞流，導(dǎo)致靠近接頭處的孔壓比遠離接頭處的孔壓高;滲流是隨時間緩慢發(fā)展的，并逐漸趨于穩(wěn) 定。

參考文獻：

[1]張昭，蔡志勤.有限元方法與應(yīng)用[M].大連：大連理工大學(xué)出版社， 2011.

（作者單位：中國建筑一局（集團）有限公司）