考慮滲流場與應力場耦合的面板堆石壩穩定性分析

孫 豐（上海海事大學,上海201306）

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考慮滲流場與應力場耦合的面板堆石壩穩定性分析

孫 豐
（上海海事大學,上海201306）

摘 要：為進行滲流作用下的邊坡穩定性分析，需考慮滲流場與應力場之間的相互耦合作用。本文以土坡穩定分析理論為基礎，結合有限元強度折減法理論，利用ABAQUS軟件對面板堆石壩壩坡的穩定性進行模擬計算。根據考慮滲流作用的有限元強度折減邊坡穩定安全系數的計算方法，模擬計算得出兩場耦合與非耦合情況下的壩坡安全系數。并結合天生橋面板堆石壩進行滲流場和應力場的非耦合和耦合兩種情況下的邊坡穩定性分析計算。得出在兩場耦合情況下，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；同樣兩場耦合情況下的最大壓應力及安全系數均較不考慮耦合的大。所以在模擬計算中要考慮滲流場與應力場的耦合，以便與實際工程數據更為吻合。

關鍵詞：滲流；耦合作用；穩定；安全系數

1 實驗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象，在校核洪水位的工況下對其壩坡進行穩定性計算。天生橋面板堆石壩最大壩頂高程791m，壩高178m，是我國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。本文屈服準則采用ABAQUS摩爾庫侖準則進行計算。采用八節點四邊形的實體2D單元PLANE82模擬邊坡內的主、次堆石材料，施加荷載和構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：兩側邊界只對水平方向的位移進行約束，底部對水平方向和豎直方向均產生約束，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分析步，第一個分析步施加重力荷載獲得初始應力狀態。第二個分析步施加靜水水壓力，邊界條件為滲流邊界條件。第三個分析步進行強度折減。在此計算中，將其分成兩個獨立的計算，強度折減步單獨計算，這樣一方面可以節約反復試算的時間，另一方面在強度折減中的位移就不包含重力及水壓力加載引起的位移，直接反映了強度折減的影響。

2 實驗結果分析

利用ABAQUS軟件中的強度折減分析法進行模擬。

根據失穩判據看來，當Fs=1.13時水平位移有明顯的拐點，但依然收斂。本文以位移拐點作為評價標準，得到安全系數為1.13。在得到該安全系數之前，按照強度折減理論，依次對邊坡參數選取1.10、1.11、1.12、1.13、1.14的系數進行折減。發現計算程序在F=1.13時仍然收斂，當F=1.14時，計算不收斂。根據有限元程序收斂準則可以暫判斷邊坡的折減系數為1.13。耦合前后的壩體應力、位移及安全系數如下表1所示：

表1 耦合前、后的壩體位移、應力、安全系數

考慮滲流場與應力場耦合的情況下，豎直位移最大值與水平位移最大值為均大于不考慮兩場耦合的情況下豎直位移最大值和水平位移最大值。可能的原因是：考慮到面板堆石壩壩坡內垂直壓力比水平壓力大，使得水平方向滲透系數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，從而下游滲透系數大于上游滲透系數，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生在壩頂偏下游一帶，而水平位移最大值發生在下游約1/2處。從穩定安全系數來看，耦合作用下穩定安全系數1.13大于非耦合作用的1.10，強度折減法計算后的塑性區發生在壩坡下游，在考慮兩場耦合情況下，當安全系數達到1.13時，塑性區自下游壩坡貫通。

3 實驗結論

綜上所述，基于ABAQUS軟件利用強度折減法理論進行壩坡安全穩定性分析是完全可行的。相比瑞典圓弧法及簡化的Bishop法更簡單準確，為工程設計提供了可行的理論依據。 計算結果表明，大壩的滲流場由壩體的滲透系數控制，而壩體應力場的變化對壩體材料的滲透系數有所影響，而變化了的滲透系數又會對大壩應力單元產生影響，影響應力大小，進而使大壩應力場產生變化。由此得出應力場與滲流場耦合的穩定滲流分析理論更為合理 ，計算結果也更可靠，在數值模擬計算過程中要注意兩場的耦合。從工程算例的計算結果可看出，考慮耦合作用的影響，應力場的各應力分量的最大值增大，位移場的位移分量最大值增大，安全系數增大。因此在進行邊坡穩定分析時應因充分考慮滲流場與應力場的耦合作用影響，使計算結果更符合工程實際。

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

作者簡介：孫豐（1991-），女，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向：水工結構的穩定性研究。