基于有限元模型對堤防土工柵格設計優化研究

陳詩陽

（深圳市水務規劃設計院股份有限公司,廣東 深圳 518001）

1 引言

堤防作為水利工程中重要的控流和防洪建筑物,設計時必須考慮其安全穩定性和滲流場的變化[1-2]。擋土墻作為一種防護結構,對防洪、防滲和加固有重要影響,因此對擋土墻進行結構設計優化,提高堤防運行安全水平具有重要意義。前人[3-4]采用ANSYS、ABAQUS 等數值模擬軟件對擋土墻進行了靜力場分析,評價了擋土墻的應力和位移特性,展現了數值模擬在結構設計的結構設計的技術優勢。華中等[5]、劉波[6]認為水工設計不應僅研究靜態穩定性,而應結合FLUENT、MIKE21 等滲流場模擬平臺在文中以某水庫堤防為基礎,通過采集的數據與有限元模型FLAC 3D 進行結合,通過數值模擬和FLUENT 仿真平臺對加筋格柵擋土墻優化設計進行了分析,為選擇最優堤防擋土墻結構提供了參考。

2 工程設計模擬

2.1 工程概況

某水庫工程堤防兩側岸坡路堤穩定性較差,地基土主要為軟粘土,沉降變形量較大,嚴重威脅堤防工程的安全。因此,在設計時考慮使用加筋的形式來加固該岸坡。其設計形式見圖1,使用土工格柵對擋墻進行加固,不同于其他擋土墻結構設計,格柵的設計需要與墻體契合,考慮墻體的受力、變形和滲流等因素,才可更大限度地發揮加筋擋土墻的防護作用。因此,本文重點從上述因素對格柵結構擋土墻的結構設計進行分析。

圖1 加筋擋土墻模型

2.2 工程設計

使用FLAC 3D 平臺如圖2 所示的擋土墻。對堤防上下游15 m 范圍的流場和靜態穩定性進行模擬,將整個模型劃分為121652 個節點單元和142685 個節點,岸坡巖層的物理力學參數和土壤滲透系數直接通過試驗測得。擋墻扶壁設置為1.2 m,墻板厚度設置為1 m,土工格柵分層鋪設,共設置六組不同的格柵層間距,從0 m（無格柵）開始,每隔0.2 m 設置一個,至1.2 m 層間距。探究不同格柵層間距擋墻的結構靜態以及流場特性。

圖2 擋墻有限元分割模型

圖3 是擋土墻結構的面板、踵板和支墩等部位,無論擋土墻是否采用加筋設計,其結構安全性在模擬結果上均以擋土墻各重要部位的應力和位移特征圖來體現。格柵布置示意圖見圖4,通過設置不同的格柵參數,觀察模型X、Y、Z 方向上的位移和各部位應力狀況。然后將幾何模型導入FLUENT模型進行滲流場的模擬,分析滲流特征參數。

圖3 擋墻結構示意圖

圖4 格柵布設示意圖

3 結果分析

3.1 應力特征

通過改變格柵層間距,獲得擋土墻各位置的拉應力變化與層間距的關系,見圖5。由圖中拉應力的變化可知,在不同層間距設計方案中,擋土墻結構的最大拉應力均出現在擋墻面板的迎水側。從抗拉安全設計的角度來看,迎水側面板最容易受到集中張拉應力的影響,在設計時應選用抗拉強度較高的材料,以滿足抗拉要求。隨著格柵層間距的增加,迎水側面板、扶肋和頂板的最大拉應力均有不同程度的減小。分析表明,格柵層間距不宜過大也不宜過小,張拉應力的分散效果會隨著間距的增加而變好,提高擋墻整體抗拉強度；但當間距過大會使格柵在擋墻內部的分布造成影響。當格柵層間距在0～0.8 m 之間時,迎水側面板、扶肋和頂板的拉應力降幅平均為22.7%、25%、18.7%,當層間距超過0.8 m 后,三者拉應力的平均降幅為0.7%、1.2%和0.9%。通過觀察擋墻不同位置拉應力的變化,初步得出格柵層間距的不宜超過0.8 m。而擋土墻踵底在所有方案中,拉應力均穩定在1 MPa,不同格柵層間距條件下拉應力的變化幅度不超過1%。綜上,當格柵層距離為0.8 m 時,結構抗拉效果具有最顯著的優勢。

通過對擋墻重點部位進行靜力場計算,得到了不同部位壓應力與格柵層間距的變化關系,見圖6。由圖分析各部位的壓應力變化,不同格柵層間距條件下,踵底板處的壓應力均為最大,表明受壓效果的最主要因素是結構的自重應力。各部位的最大壓應力均隨著格柵層間距的增加呈現先增大后減小的趨勢,而所有部位最大壓應力均出現在層間距為0.8 m的方案中。當層間距超過0.8 m 時,層間距每增加0.2 m,各部位的壓應力呈下降趨勢,通過以上圖形趨勢的分析,在進行格柵設計時不宜超過0.8 m,格柵層間距在0.8 m 時各部位受壓強度達到最大,此時拉應力強度也較小,靜態場穩定性最好。

圖6 擋墻各部位最大壓應力與格柵層間距的關系

3.2 位移特征

根據不同格柵層間距方案,得出了X、Y、Z 三個方向上隨其變化的位移圖,見圖7。由位移圖分析可以看出,在所有方案中,Z 方向位移最大,變化范圍為7.9 mm～14.8 mm,這與擋土墻結構主要受到自重影響的結論[7]相吻合。隨著格柵層間距的增加,所有方向的位移均呈先減小后增加的趨勢,表明格柵層間距的變化影響結構的整體位移。當層間距數值在0～0.8 m 范圍時,X、Y、Z 三個方向的位移均為減小的趨勢,在層間距0.8 m 時,與0.2 m 和0.6 m 的方案相比,Y 方向位移減少了46.2%和14.9%；當層間距數值在0.8 m～1.2 m 范圍時,X、Y、Z 三個方向位移均為增大的趨勢,在層間距0.8 m 時,與1.0 m 和1.2 m 的方案相比,Y 方向位移平均增幅為60%和31.8%,X 方向和Z 方向位移變化情況與之類似。并且從三向位移與格柵層間距的關系來看,X 方向位移最為敏感。

圖7 各向位移量與格柵層間距的關系

4 格柵層間距對堤防滲流影響

圖8 為不同層間距方案下橫截面速度的變化特征。流速對堤防區間斷面滲流場的穩定有重要的影響,堤防的運行需要合理穩定的流速。從圖中可以看出,在0.6 m 和0.8 m 的格柵層間距時,堤防橫截面流速較為穩定,其余處理的流速波動較大。而且隨著層間距的增大,流速也變快。層間距為0.2 m、0.4 m 時,流速的振幅較大,而層間距為1 m、1.2 m時,整個斷面的流速波動較大,穩定性較差。容易出現局部紊亂、渦流等非穩定滲流現象。綜合滲流場和靜力場的模擬結果,認為當格柵層間距為0.8 m 時,擋土墻運行綜合技術優勢最大。

圖8 橫截面流速變化特征

5 結論

（1）通過模擬,擋土墻各部位的拉應力在層間距超過0.8 m后、拉應力下降幅度較小,幾乎處于停滯狀態。迎水側面板所受到的拉應力最大,踵底板的最大拉應力幾乎不受格柵層間距的影響。

（2）擋土墻的最大位移在Z 方向；所有方向上的位移值均呈現先減小后增加的趨勢,在層間距0.8 m 時位移值最小。

（3）層間距設計參數與橫截面流速呈正相關,流速不宜過大也不宜過小,應保持相對穩定的狀態,當層間距為0.6 m和0.8 m 時,速度穩定性最好。

（4）綜合擋土墻結構設計的靜力場與滲流場的模擬結果,認為0.8 m 的格柵層間距為技術優勢最顯著。