基于ABAQUS的堆石坝渗流分析

邢爽

摘要：為同时考虑粘土心墙堆石坝渗流场和应力场耦合作用，采用 abaqus 软件计算了正常蓄水位时坝体位移、应力特性及渗流时坝体边坡稳定性。结果表 明，大坝在正常蓄水位下不会出现渗流破坏，心墙坝的应力-应变符合一般规律，坝体的应力和变形形态符合一般规律，坝体的应力和变形形态基本良好， 在稳定渗流作用下，上下游坝坡稳定，抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

关键词：堆石坝;有限元;ABAQUS;流固耦合

1有限元及 ABAQUS 简介

1.1有限元简介。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解， 而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

1.2 ABAQUS 简介。ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。 作为通用的模拟工具，ABAQUS 除了能解决大量结构（应力 / 位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透 / 应力耦合分析）及压电介质分析。

ABAQUS 有两个主求解器模块— ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。

ABAQUS 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块 — ABAQUS/CAE 。 ABAQUS 对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。

2问题描述与基本原理

2.1问题基本描述。某挡河大坝由左岸、河中碾压混凝土重力坝和右岸粘土心墙堆石坝组成混合坝。混凝土部分坝顶高程为 1139m，心墙堆石坝部分坝顶高程为 1141m，两坝型坝顶间通过 5%的坡相连。碾压混凝土重力坝部分最大坝高 159m，心墙堆石坝部分最大坝高 71m。坝顶总长 1158m，其中混凝土坝部分 838m，心墙堆石坝部分 320m。正常蓄水位 1134m。

混凝土坝和心墙堆石坝之间采用插入式软接头布置形式：心墙堆石坝的防渗体为土质心墙，采用自上而下逐渐加固的形式。心墙顶宽 6m，两侧坡度为1：0.2，。为保护心墙不发生渗透变形，在心墙的上下游均布置了两层反滤层，上游侧厚度均为 3m、下游侧厚度为 4m。心墙在靠近软硬接触面顶部约 82m 处开始渐变为 12m，上游坡比保持 1：0.2，下游坡比变为 1：0.5。下游两层反滤的厚度渐变为 6m，混凝土坝的 42#坝段插入堆石坝中，与堆石坝的接触面坡度为 1：0.3。粘土心墙与混凝土接触面 2m 范围内由纯粘土填筑。上下游的两层反滤均向左延伸过接触面，包裹粘土心墙。在连接部位，上游粘土心墙伸过接触面 10m，并向左岸放坡 1：0.2，下游粘土心墙则完全拦挡在右侧。坝体的上下游堆石向左伸过软硬接触面，上游堆石已包裹至岸边溢洪道的坝前，而下游包裹的堆石则被溢洪道泄槽的右边墙支挡。堆石坝粘土心墙在靠近接头部分心墙顶宽渐变为 12m，上有坡度保持 1：0.2，下游侧坡渐变为 1：0.5。

2.2流固耦合基本原理。流固耦合问题可由其耦合方程定义，这组方程的定义域同时有流体域与固体域。而未知变量含有描述流体现象的变量和含有描述固体现象的变量，一般而言具有以下两点特征：

1）流体域与固体域均不可单独地求解

2）无法显式地削去描述流体运动的独立变量及描述固体现象的独立变量从总体上来看，流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类：

第一类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界面上，在方程上的耦合是由两相耦合面上的平衡及协调来引入的如气动弹性、水动弹性等。

第二类问题的特征是两域部分或全部重叠在一起，难以明显地分开，使描述物理现象的方程，特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。

3有限元建模分析

3.1有限元计算原理

3.1.1有效应力原理。在 abaqus 中应力以拉为正，而液体压力u w 和气体压力ua 则以压为正。因此 abaqus 中有效应力原理为

3.1.2渗透定律

3.1.3定义与空压相关的孔隙流动

3.1.4饱和度和基质吸力之间的关系

在土体这种孔隙材料中，土体非饱和意味着总空隙水压力uw <0，- uw 反映了材料的基质吸力。

但利用 abaqus 分析非饱和土问题时，必须分别指定吸湿曲线和脱水曲线以及在两者之间的变化规律。否则，不论uw 是多少，abaqus 都会将土视为完全饱和的，达不到非饱和渗流分析目的。

3.1.5soils 中的分析类型

稳态分析认为流体的流动速度、体积等都随时间不变化。因而稳态分析中的时间选择只和本构模型材料的率效应有关系。稳态分析步中，载荷随分析步的时间变化是线性。稳态分析是强非对称的，因而在稳态分析中自动采用非对称的刚度矩阵存储和求解方法。

4结论

通过对堆石坝的数值模拟，了解到在渗流过程中饱和区域存在正孔压， 而非饱和区域存在负孔压（即基质吸力）;逸出点的渗流速度最大，与实际情况一致;粘土心墙起到了防渗的效果;由于在接头处存在绕流，导致靠近接头处的孔压比远离接头处的孔压高;渗流是随时间缓慢发展的，并逐渐趋于稳 定。

参考文献：

[1]张昭，蔡志勤.有限元方法与应用[M].大连：大连理工大学出版社， 2011.

（作者单位：中国建筑一局（集团）有限公司）