ANSYS 在利民水庫土石壩穩定分析中的應用

周文帥

（臨邑縣水利局，山東 臨邑251500）

利民水庫位于德州市臨邑縣，庫容達946.3萬m3，死蓄水位為13.5 m，有2 條支流王書干溝、三分干作為補充水源來源地，流經水庫工程區共有河流堤防3.1 km 長度，按照“61 雨型”防洪、“64 雨型”除澇水位標準設計，堤身防滲系統設置有防滲墻等結構。土石壩頂高程23.25 m，壩體長度為4 204 m，上下游壩坡均為1∶3，壩頂修建有寬度為7 m 的人行通道。該土石壩體防滲結構采用0.6 m 厚的防滲墻與帷幕灌漿方式，其中防滲墻深度直達壩基，灌漿主要針對基巖上覆蓋土層，抑制土體中滲流作用，下游側坡面以生態植物作為固坡網格，上游側以混凝土與土工格柵作為護坡結構。

1 穩定性分析

1.1 建模及參數

按照水庫土石壩基本工程資料，利用ANSYS 數值軟件，以SOLID65 與PLANE84 模型作為微單元體建立有限元模型，并簡化部分對土石壩應力變形影響較弱的結構，以壩趾沿上游延伸長度25 m、下游測延伸32 m 作為計算范圍。本次土石壩模型共劃分出3 218 個單元，節點數10 314 個。

1.2 無蓄水期穩定性分析

本次堆筑共劃分出6 層，限于篇幅，本文只列出典型位移計算結果云圖，如圖1 所示。

圖1 典型分層堆筑施工位移云圖

由計算結果可知，每層填筑完成后X 方向上最大應力值總出現在壩基，第一層填筑完成后壩基處出現最大拉應力值，為20.14 kPa，第二層堆筑至堆筑完成，X 方向上最大拉應力值增長了2～10 倍，最大拉應力值出現在堆筑完成層后，達463.81 kPa，相比壩體材料抗拉強度值，該值水平仍較低。從豎向應力分布來看，最大壓應力主要分布在壩基底部，第一層堆筑時最大壓應力為213 kPa，堆筑完成后，豎向最大壓應力增長了83.8%，從圖2 可看出，X 向應力增長與Y 向應力增長斜率具有相似性，在第四層堆筑后，前四層平均每層堆筑水平應力增長81.9%，而后兩層堆筑完成，平均每層堆筑增長1.98 倍；相比來說，豎向應力亦是以第四層為中間增長分界點，前四層每層平均增長25.8%，后兩層平均每層增長71.2%。由此表明，土石壩施工堆筑過程中，不論是X 向亦或是Y 向，應力分布與增長均有一定相近特性。

圖2 各層堆筑X、Y 向應力變化曲線

從X 向與Y 向位移分布及量值特征來看，每層堆筑后X 向位移分布特征呈上游側位移小，且小位移范圍集中在上游側壩踵處，下游側位移值較大，最小位移范圍與最大位移范圍具有一定對稱特性，但對稱的區間位移量值是“相反”的，堆筑完成后X 向位移最大為26.7 mm。Y 方向上位移分布呈以壩頂中心線為對稱線，兩側正對稱分布，不僅分布形態一致，且位移量值亦是一致的，Y 向最大位移為堆筑完成后工況，達113 mm。規范要求豎向位移最大不可超過壩高的1%，而本文中施工堆筑完成后最大豎向位移占壩高的0.68%，故而該土石壩應力與變形特征參數均滿足設計要求。

1.3 蓄水期穩定性分析

蓄水期包括三種蓄水工況:正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位，該三種水位工況下上、下游水位分別為230.0 m、218.7 m，231.0 m、218.7 m，232.0 m、218.7 m。

圖3 為正常蓄水期X 向應力特征計算云圖。各水位X 向拉應力依然分布在壩基最底部，且各水位最大拉應力值基本相近，為280～320 kPa，顯著低于大壩材料抗拉強度值，故X 向拉應力處于安全狀態。從Y 向應力分布來看，上游側應力值顯著高于下游側，且以壓應力為主，壩體Y 向受拉區較少，三種蓄水工況下Y 向最大壓應力為392～397.4 kPa，表明蓄水期各工況中由于未考慮滲流作用影響，故而壓應力產生依然是由土石壩體自重引起。

圖3 正常蓄水期應力云圖

從位移分布特征來看，三種蓄水工況中X 向位移值均向下游發展，即位移值均為正值，且隨上游水位增大，X 向位移值愈大，其中洪水校核位最大X 向位移值為53.5 mm，相比前兩種工況分別增長了24.1%、13.3%。相比施工期（無蓄水）狀態下X 向位移具有一定對稱分布特性，但在蓄水期下游側位移顯著較高，分析是由于蓄水期受到水壓力作用，上游側壩體壩趾會具有一定約束作用，導致向下游發展位移。Y 向位移中，各蓄水工況下均呈現沿壩趾至壩頂，豎向位移逐漸增大，設計洪水位下壩頂處最大位移為113.2 mm，分布特征呈現同一高程下，上游側豎向位移顯著高于下游側，即豎向位移向上游側發展，三種工況下最大豎向位移為115.2 mm，相比于施工期最大豎向位移增長了1.9%，占壩高的0.71%，仍處于規范安全設計區間值，故蓄水狀態下應力變形值均達到設計要求。

2 結 論

1）研究了無蓄水期分層堆筑過程中X、Y 向應力中最大拉、壓應力總分布在壩基處，且隨堆筑層數增加逐漸增長，前四層平均每層堆筑X、Y向壓應力分別增長81.9%、25.8%，后兩層平均每層增長分別為1.98 倍、71.2%；X、Y 向位移呈對稱分布，但X 向對稱部分的位移量值相反，Y 向最大位移為113 mm，滿足不超過壩高1%的設計要求。

2）分析了蓄水期三種工況下X 向最大拉應力為280～320 kPa，Y 向應力分布呈游側高于下游側，以受壓區為主；蓄水期X 向位移均向下游發展，校核洪水位下位移最大，為53.5 mm，相比另兩工況分別增長了24.1%、13.3%，豎向位移向上游側發展，最大豎向位移為壩高的0.71%，達115.2 mm。