基于ABAQUS的土石坝稳定性分析

陶乙纬 郭俊华 周嘉军

摘 要：本文基于有限元分析软件ABAQUS，采用有限元强度折减法分析土石坝在设计洪水位作用下的应力、位移及安全稳定性，算出土石坝在渗透压力下的安全系数，从而为土石坝的维修建设提供有效的参考。

关键词：ABAQUS；土石坝；强度折减法；稳定性

0 引言

我国是世界上拥有水库大坝最多的国家，但其中大多数为上世纪80年代建成的土石坝，对水库大坝的安全问题不可掉以轻心。据统计，自 上世纪50年代以来，我国已有 3400多座水库大坝发生事故，造成了严重的后果。随着国家战略的推进，中国将在西部地区建设一定量的水坝工程，这些工程所在地区地势较为复杂，覆盖层深厚，建筑材料物理力学性质复杂，环境恶劣，对大坝安全相关的试验技术、基础理论和模拟方法等提出了更高要求。

边坡稳定一直以来都是分析土石坝安全问题的关键，由于土石料材料性质复杂，使得传统的应力，位移计算较为困难。近年来，由于计算机技术的快速发展，众多数值模拟方法被应用到岩土工程中来。有限单元法由于其良好的适应性，并且能很好的模拟各种土体的本构关系，而受到许多岩土学者的青睐。本文涉及的研究选用基于ABAQUS有限元软件环境下的强度折减法，对土石坝在设计洪水位条件下进行边坡稳定性分析[1]。

1 计算原理

1.1 强度折减技术

有限元强度折减法即通过不断的降低岩土体的抗剪强度直到达到极限状态，然后根据有限元计算结果得到安全稳定系数[49]。

对于Mohr-Coulomb材料，强度折减法表示为：

1.2有限元强度折减法的失稳判据

采用有限元强度折减法分析边坡问题的重要一点是如何通过计算结果来判断边坡是否达到临界失稳状态。目前，大体上有三类边坡失稳判据被广泛采用：（1）以有限元计算不收敛为判据，（2）以等效塑性应变从坡脚贯通至坡顶为判据，（3）以边坡破面上特征点的位移突变为判据。目前，由于对边坡的整体破坏还未形成统一认识，在选取有限元分析边坡失稳判据时尚未确定统一标准，但是每种判据得出的安全系数差距很小。本文选取以塑性应变区贯通作为斜坡失稳判据，可以直观地根据塑性区应变贯通情况分析海底滑坡变化情况。

2 工程概况及数值模型

2.1土石坝模型介绍

某均质土石坝，坝高48米，坝顶宽度8米，土石坝的上下游边坡的坡度分别为：1：2.5和1：2.0，坝基为完整岩体。计算坝体在设计洪水位作用下的坝体应力、位移及边坡稳定系数。其中设计洪水位44米，下游水位3.0米，假设坝基高程为0.0米。土体参数：粘聚力39kPa，内摩擦角为24度，渗透系数为4.8.0×10-4cm/s。

模型中土石坝坝体为均质体，采用ABAQUS有限元计算软件， 对土石坝最大横断面进行有限元分析。模型的左右边界均采用水平约束，底面为水平和竖向约束。

模型中的荷载主要来自于坝体的自重以及两侧边界水位产生的渗透压力。首先对整体模型进行地应力平衡，之后施加渗透压力，对坝体的应力及位移情况进行分析，最后分析在设计洪水作条件下的坝体稳定性。

2.2强度折减法的运用

1.先定义一个场变量，并将其设为强度折减系数 。

2.定义随场变量变化的材料模型参数。

3.在分析开始给定场变量的具体大小，同时对模型施加重力荷载，从而建立平衡应力状态；为了防止坝体此时破坏，F应取较小数值，如F<1 ，即放大了强度[3-4]。

4.在之后的分析步中线性增加场变量 ，直到计算终止（数值不收敛）后对结果进行分析处理，并按照失稳评价标准得出安全系数。

3 计算成果与分析

3.1应力分析

由于ABAQUS中以拉为正[5]，岩土工程中的大主应力在ABAQUS中对应于小主应力。通过模拟计算得到设计洪水作用及强度折减作用下土石坝的屈服应力的分布规律：坝体屈服应力及小主应力呈对称分布，屈服应力值随坝体断面高程增加而减小，中间区域应力比较集中，而小主应力的数值大小与坝体断面高程呈正比关系。坝体屈服应力的最大值为319Kpa，小主应力的最大值为9.274Kpa。

3.2位移分析

在自重和渗透压力作用下，坝体的水平位移分布规律大致呈对称分布，并各自指向对应的坡外方向；坝体上设计水位斜坡水平位移明显要远大于坝体下游。这是由于坝体上游面的水位要高于下游面，上游坝体的渗透力比下游要大。因此在实际工程中应对坝体所能承受的水位进行控制。一旦发现水位偏高情况，应立刻采取合理措施来保护坝体的稳定。

随着土坡强度的减小，而上游高水位的渗透力比较大，进而使高水位下的坝体面出现较大位移，由中间局部区向两侧坡脚逐渐扩散，从而导致坝体失稳。所以在实际工程中应避衰减情况的发生。

3.3稳定性分析

通过模拟可以发现PEMAG（积分点上的等效塑性应变），PEEQ（累积塑性应变）在t=0.9242时出现了塑性区的贯通现象，此时所对应的安全系数为 。

4 结束语

1）本文运用强度折减法分析了土石坝在考虑自重及渗透压力条件下的应力、位移及稳定性情况，对于abaqus在实际工程中的应用具有一定的参考价值。

2）水位的高低会对土坡稳定产生很大的影响，严重时会造成坝体的破坏。因此在工程上应尽量避免出现高水位的情况，一旦出现应及时做好排水措施，从而减小渗透力对土石坝体的影响，从而避免事故的发生。

3）土石坝体强度折减也是影响其稳定性的主要因素之一。在工程中应密切注意土石坝體的材料参数，对土层强度加以控制，定期对坝体材料的强度进行检测，从而避免滑坡等自然灾害的出现，达到延长坝体使用年限的目的。

4）本文通过ABAQUS分析得出了土石坝在渗透压力下的安全系数为 ，虽然存在一定误差，但仍具有参考价值，可为之后土石坝的三维建模提供参考依据。

参考文献：

[1] 祁庆和，水工建筑物[M].北京：水利水电出版社，1992

[2] 李湛，栾茂田.土石坝拟静力抗震稳定分析的强度折减有限元法[J].岩土力学2010，31（5）：1503-1509

[3] 史旦达，邓益兵，蒋建平，刘文白.ABAQUS软件的工程应用实例集[M].人民交通出版社股份有限公司，2015.1

[4] 田丛秋.水利工程建设中土石坝技术的应用[J]. 民营科技.2014（02）

[5] 陈锐.水利工程土石坝的工程施工[J].黑龙江水利科技.2014（02）

[6] 赵开伟，李同春，程井，丁林，季昀.土石坝施工模拟中填筑层数的选取[J].水电能源科学. 2014（04）