考虑渗流场与应力场耦合的面板堆石坝稳定性分析

孙 丰（上海海事大学,上海201306）



考虑渗流场与应力场耦合的面板堆石坝稳定性分析

孙 丰
（上海海事大学,上海201306）

摘 要：为进行渗流作用下的边坡稳定性分析，需考虑渗流场与应力场之间的相互耦合作用。本文以土坡稳定分析理论为基础，结合有限元强度折减法理论，利用ABAQUS软件对面板堆石坝坝坡的稳定性进行模拟计算。根据考虑渗流作用的有限元强度折减边坡稳定安全系数的计算方法，模拟计算得出两场耦合与非耦合情况下的坝坡安全系数。并结合天生桥面板堆石坝进行渗流场和应力场的非耦合和耦合两种情况下的边坡稳定性分析计算。得出在两场耦合情况下，面板堆石坝的竖向位移与水平位移均较不考虑耦合情况下的位移偏大；同样两场耦合情况下的最大压应力及安全系数均较不考虑耦合的大。所以在模拟计算中要考虑渗流场与应力场的耦合，以便与实际工程数据更为吻合。

关键词：渗流；耦合作用；稳定；安全系数

1 实验算例的工程概况及分析模型

本文以天生桥面板堆石坝作为模拟对象，在校核洪水位的工况下对其坝坡进行稳定性计算。天生桥面板堆石坝最大坝顶高程791m，坝高178m，是我国目前最高的混凝土面板堆石坝，在同类坝型中位居世界第二。校核洪水位为789.86m。本文屈服准则采用ABAQUS摩尔库仑准则进行计算。采用八节点四边形的实体2D单元PLANE82模拟边坡内的主、次堆石材料，施加荷载和构造边界条件直接加在有限元模型上。本次分析中约束形式为：两侧边界只对水平方向的位移进行约束，底部对水平方向和竖直方向均产生约束，顶部和边坡临空面无约束。

本论文天生桥面板堆石坝的模型分析包含三个分析步，第一个分析步施加重力荷载获得初始应力状态。第二个分析步施加静水水压力，边界条件为渗流边界条件。第三个分析步进行强度折减。在此计算中，将其分成两个独立的计算，强度折减步单独计算，这样一方面可以节约反复试算的时间，另一方面在强度折减中的位移就不包含重力及水压力加载引起的位移，直接反映了强度折减的影响。

2 实验结果分析

利用ABAQUS软件中的强度折减分析法进行模拟。

根据失稳判据看来，当Fs=1.13时水平位移有明显的拐点，但依然收敛。本文以位移拐点作为评价标准，得到安全系数为1.13。在得到该安全系数之前，按照强度折减理论，依次对边坡参数选取1.10、1.11、1.12、1.13、1.14的系数进行折减。发现计算程序在F=1.13时仍然收敛，当F=1.14时，计算不收敛。根据有限元程序收敛准则可以暂判断边坡的折减系数为1.13。耦合前后的坝体应力、位移及安全系数如下表1所示：

表1 耦合前、后的坝体位移、应力、安全系数

考虑渗流场与应力场耦合的情况下，竖直位移最大值与水平位移最大值为均大于不考虑两场耦合的情况下竖直位移最大值和水平位移最大值。可能的原因是：考虑到面板堆石坝坝坡内垂直压力比水平压力大，使得水平方向渗透系数减小幅度比垂直方向的大。另外，由于渗透力的作用使下游压力大于上游压力，从而下游渗透系数大于上游渗透系数，因此下游的竖向位移与水平位移较上游的大。因此竖向位移最大值发生在坝顶偏下游一带，而水平位移最大值发生在下游约1/2处。从稳定安全系数来看，耦合作用下稳定安全系数1.13大于非耦合作用的1.10，强度折减法计算后的塑性区发生在坝坡下游，在考虑两场耦合情况下，当安全系数达到1.13时，塑性区自下游坝坡贯通。

3 实验结论

综上所述，基于ABAQUS软件利用强度折减法理论进行坝坡安全稳定性分析是完全可行的。相比瑞典圆弧法及简化的Bishop法更简单准确，为工程设计提供了可行的理论依据。 计算结果表明，大坝的渗流场由坝体的渗透系数控制，而坝体应力场的变化对坝体材料的渗透系数有所影响，而变化了的渗透系数又会对大坝应力单元产生影响，影响应力大小，进而使大坝应力场产生变化。由此得出应力场与渗流场耦合的稳定渗流分析理论更为合理 ，计算结果也更可靠，在数值模拟计算过程中要注意两场的耦合。从工程算例的计算结果可看出，考虑耦合作用的影响，应力场的各应力分量的最大值增大，位移场的位移分量最大值增大，安全系数增大。因此在进行边坡稳定分析时应因充分考虑渗流场与应力场的耦合作用影响，使计算结果更符合工程实际。

参考文献：

［1］高小育,廖红建,丁春华.渗流对土质边坡稳定性的影响［J］.岩土力学,2004,25（01）.

［2］陈平,张有天.裂隙岩体渗流与应力耦合分析［J］.岩石力学与工程学报,1994,13（04）.

［3］柴军瑞,仵彦卿.均质土坝渗流场与应力场耦合分析的数学模型［J］.陕西水力发电,1997,13（03）.

［4］陈晓平,茜平一等.非均质土坝稳定性的渗流场和应力场耦合分析［J］.岩土力学,2004,25（06）.

［5］项颜勇.裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟［J］.工程地质学报,2002,10（02）.

［6］张国,朱济祥,庄军等.岩质边坡稳定性的渗流耦合分析［J］.天津大学学报,1999,32（05）.

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

作者简介：孙丰（1991-），女，山东烟台人，硕士研究生，研究方向：水工结构的稳定性研究。