某堤壩受力和位移的數值模擬研究

張慶麗，邱凌燕

（費縣許家崖水庫管理中心,山東 費縣 273400）

1 前言

堤壩工程在水利工程中發揮重要作用,對此學者們進行了大量的研究。舒國新[1]對堤壩建設過程中出現的問題進行了總結,并針對堤壩的滲流破壞提出了維修建議。果麗[2]認為堤壩的防治加固是堤壩工程的核心技術,并結合某堤壩的滲流破壞提出了解決措施。曹恒亮等[3]利用地質雷達對堤壩的裂縫進行了檢測,檢測結果表明：雷達探測檢測堤壩裂縫效果明顯。程靜[4]利用Geostudio 軟件對地震作用下堤壩的受力和位移進行了研究,研究結果表明：地震作用下堤壩的浸潤線會發生變化,浸潤線以下的巖土體的受力也會隨之發生變化。薛文宇等[5]對漸變潰口下的河道堤壩進行了數值模擬研究,研究結果表明：對形狀漸變的堤壩應當采取不同的分析模型,此種研究方法可更為準確地對堤壩進行分析。張西文等[6]對地震作用下的堤壩進行數值模擬研究,研究結果表明：在計算飽和砂土液化時,應當調整計算程序,以便使計算更加符合實際。左書華等[7]利用FEFLOW 模型對某堤壩進行了研究,研究結果表明：滲流速度對于防滲措施有重要的指導意義。張聰等[8]利用黏土固化漿液,對堤壩進行防滲研究,研究結果表明：脈動注漿壓力在0.2 MPa~2 MPa 范圍內時,防滲效果較好。

然而以上的研究大多基于堤壩防滲工作開展,并沒有對堤壩的位移、受力進行研究,對此本文結合一實際堤壩工程,利用MIDAS GTS 軟件對堤壩的滲流、位移和受力進行研究。

2 工程概況

該堤壩位于四川省眉山市,堤壩建立于基巖上,堤壩由基巖由壩體、心墻、反濾層組成（圖1）,堤壩長110 m、寬60 m、高35 m（圖1）,堤壩的物理力學性質見表1。

表1 堤壩物理力學性質

圖1 堤壩組成

3 數值模擬

3.1 模型參數

對堤壩材料進一步提取滲透條件下的力學參數,心墻的飽和容重為21.3 kN/m3,滲透參數kx、ky和kz均為1.83×10-5m/s,粘聚力為31 kPa,內摩擦角34°。反濾層的飽和容重為22.5 kN/m3,滲透參數kx、ky和kz均為1.1×10-4m/s,內摩擦角33°。壩體的飽和容重為22 kN/m3,滲透參數kx、ky和kz均為1.6×10-2m/s,內摩擦角39°。基巖的飽和容重為23 kN/m3,滲透參數kx、ky和kz均為1.3×10-5m/s,內摩擦角43°。

3.2 模擬步驟

建立模型并對心墻、 反濾層、壩體和基巖賦與參數。對壩體邊界節點處賦予初始水位22m水位值，繼而72s時間段內賦予5m的水位值，最后賦予100s時間段內5m的水位值,當水位值穩定在5 m時,可認為壩體處于滲流穩定狀態。

3.3 壩體生成后的受力和位移

數值模擬計算完成后,壩體的受力分析見圖2。

圖2 堤壩巖土體受力

如圖2（a）所示,堤壩X 方向所受應力表層數值范圍主要為11.9 kPa~60.1 kPa,此區域約占整個堤壩的33%,由于此區域的受力較小,可認為X 方向的受力不會對堤壩安全造成隱患。隨著堤壩深度的增加,X 方向所受應力逐漸增大,最大數值為590.5 kPa,超過400 kPa 的巖土體僅占整個堤壩的3%,由此數值可知,堤壩并未出現應力集中現象。以上數據均不超過巖土體的極限受力,從X 方向所受應力分析可知,堤壩X 方向的受力是滿足工程要求的。

如圖2（b）所示,堤壩Y 方向所受應力表層數值范圍主要為9.4 kPa~40.9 kPa,此區域約占整個堤壩的27%,由于此區域的受力較小,可認為Y 方向的受力不會對堤壩安全造成隱患。隨著堤壩深度的增加,Y 方向所受應力逐漸增大,最大數值為540.5 kPa,超過400 kPa 的巖土體僅占整個堤壩的2%,由此數值可知,堤壩并未出現應力集中現象。以上數據均不超過巖土體的極限受力,從Y 方向所受應力分析可知,堤壩Y 方向的受力是滿足工程要求的。

如圖2（c）所示,堤壩Z 方向所受應力表層數值范圍主要為61.4 kPa~98.4 kPa,此區域約占整個堤壩的28%,由于此區域的受力較小,可認為Z 方向的受力不會對堤壩安全造成隱患。隨著堤壩深度的增加,Z 方向所受應力逐漸增大,最大數值為1110.5 kPa,超過900 kPa 的巖土體僅占整個堤壩的3%,由此數值可知,堤壩并未出現應力集中現象。以上數據均不超過巖土體的極限受力,從Z 方向所受應力分析可知,堤壩Z 方向的受力是滿足工程要求的。

由圖2 可知,堤壩所受Z 方向的應力最大,但是最大值依然不超過材料的極限應力值；堤壩的受力沒有出現應力集中現象；由以上可知堤壩的建設是滿足工程要求的。

3.4 基坑開挖后受力

基坑開挖后錨桿和圍護樁所受應力見圖3。

圖3 壩體滲流影響

由圖3（a）可知,心形墻及反濾層的等效應變范圍為4.9×10-4~1.1×10-3,隨著深度的增加,應變逐漸減小,最小應變為1.8×10-7,此區域位于基巖處,應變的變化規律與應力的變化規律相反,因為若應力增大,那么應變必然變小,此變化規律符合巖土體的應力應變的規律。

由圖3（b）可知,堤壩的塑性破壞區主要集中于堤壩右側區域,且塑性破壞區約占整個堤壩的2%,說明堤壩大部分巖土的變形處于彈性變化階段,不會對堤壩的安全造成不良影響。

由圖3（c）可知,堤壩的滲流方向從左側開始,一直流向右側。最大滲流速度為2.0×10-3m/h,右側最大滲流速度為8.2×10-4m/h,以上的滲流速度和方向與工程實際相符。

由圖3（d）可知,浸潤線位于堤壩頂部以下8 m~22 m,由此可知,堤壩防護的重點區域在浸潤線附近及其以下區域,若后期需對堤壩進行位移監測,浸潤線區域是監測的重點。

由圖3 可知,堤壩的等效應變控制在合理范圍內,滲流速度和滲流方向與工程實際相符,浸潤面區域是堤壩后期監測的重點。

由圖4（a）可知,堤壩最大水平位移為13 mm,主要集中于堤壩頂部,超過8 mm 區域的巖土體約占整個堤壩的12%,說明位移分布較為合理。堤壩最大豎向位移（圖4（b））,同樣分布于堤壩頂部,最大值為6 mm；堤壩的總位移最大值為18 mm,由堤壩的最大水平位移和豎向位移數值可知,堤壩的總位移主要由最大水平位移產生。因堤壩的位移均不超過20 mm（堤壩位移安全值）,可認為堤壩的建設是滿足工程要求的。

圖4 壩體位移

4 結論

本文結合MIDAS GTS 軟件,對堤壩的滲流、位移和受力進行研究,研究結果表明：

（1）堤壩所受Z 方向的應力最大,但是最大值不超過堤壩材料的極限應力值；堤壩的受力沒有出現應力集中現象,由以上受力可知堤壩的建設是滿足工程要求的。

（2）堤壩的等效應變控制在合理范圍內,滲流速度和滲流方向與工程實際相符,浸潤面區域是堤壩后期監測的重點區域。

（3）堤壩的最大水平位移和豎向位移數值可知,堤壩的總位移主要由最大水平位移產生。堤壩的位移均不超過20 mm（堤壩位移允許值）,可認為堤壩的建設是滿足工程要求的。