基于ANSYS的某水库土石坝段地基沉降及处理分析研究

温青山

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830001)

土石坝作为一种水利工程中常见的挡水结构，应用非常广泛，全世界土石坝体占有率超过80%[1-2]，极大方便快捷提升了水利工程建设的效率和安全性能。水工建筑中沉降量是评价结构安全稳定性的重要参量，而由于土石坝体堆筑特性，不得不重点考虑其堆筑特性与岩土材料对坝基沉降影响[3-4]。与建筑地基类似，不良坝体地基可采用多种方式进行处理，包括有换土垫层、人工复合地基、桩基等基础型式[5-8]，对比处理前后地基沉降量，是准确评价坝体稳定性重要举措。有许多学者与工程师基于岩土材料理论公式推导，计算获得土石坝体沉降值；或者利用有限元计算手段[9-10]，在计算机上模拟出坝体形态，通过物理参数计算出坝基沉降。针对不同地区不同水库工程及岩土材料差异性，势必需具体分析，为项目建设部门提供重要的坝基处理参考依据。

1 地基沉降与有限元分析理论

1.1 沉降理论

一维维度下地基固结沉降计算公式如式(1)所示：

(1)

在水利工程中由于坝体地基特殊性，分层计算地基沉降时，以坝高1/10作为控制每层控制参量，故土石坝体固结沉降计算公式为[11-13]如式(2)所示：

(2)

式中:St指坝基终沉降量；ei0、eit分别指i层的初始与竣工后孔隙比；hi同式(1)中h。

1.2 沉降有限元理论

地基应力矩阵表达式如式(3)所示：

(3)

式中:σx、σy、σz指x、y、z方向应力分量；S指变形。

应力分块子矩阵如式(4)所示：

(4)

式中：E、μ指土体力学参数；η0、ξi指转换系数；a、b与土体性质有关参数。

2 工程概况

某水库承担防洪排涝，调度水资源，提供工农业生产所需水源，库容超过10亿m3，蓄水期最大提供水资源达7000万m3，也可灌溉农业面积23 333.33 hm2，可称之为城市日常发展不可或缺的一大水利工程。水库工程涉及有大坝、输水孔以及消力池等水工结构，水库建设有长度约为1850 m 的大坝，其中分为土石坝段与混凝土重力坝段，土石坝段长度约为1640 m，混凝土重力坝作为连接段及重筑区段，长度约为210 m；以水闸作为输水孔控制结构，水闸为多孔结构，每孔宽度为 5.8 m；坝顶高程为100.5 m，涉及有宽度约为 3.8 m 的坝顶公路，设计蓄水位85.2 m，按照10 a一遇洪水位设计为90.3 m，校核设计水位为94.5 m。

根据现场地质踏勘及钻孔取样表明，土石坝段坝基可分为三个区段，对应三个长度桩号，A段位末点位桩号为0+010，以两侧岸坡岩石为主体；0+010～0+135桩号区间段为缓冲坝段，上下游坡度为0.5，堆筑材料为天然材料砂土混合料，包括有碎石垫层以及粗砂砾，砾石平均粒径达10 mm；0+135～1+245区段内为二级阶地土层，该区段内坝基下卧层存在软土，厚度约为2.5 m，坝体设置有厚度50 cm的心墙结构防护黏土沉降，堆筑材料以砂土料为主；1+245～混凝土重力坝连接处，该区段内均为一级阶地冲积土层，上、下游坡度比为0.44、0.36，每层堆筑时均在堆体下部设置有防渗层材料与0.8 m厚度的过渡层材料，坝基上覆盖土层以粉质黏土为主，在两侧坡面设置有混凝土护坡网，加固坡身。根据坝基层岩石取样得知，三个区段内地基岩性以暗红色黏土岩与砂岩为主，含水量测得24.5%，厚度12.0～17.5 m，上覆第四系沉积土层有交织错杂在基岩夹层中特点，砂土等更新统属级配不良，粒径约为2～10 mm。另调查获得坝体填筑料岩土参数，土料主要用在心墙砌筑，为黏土材质，砂料取自河流冲击搬运至河漫滩上，粒径较细，最大粒径仅为 4 mm，属低压缩性。本文将重点针对土石坝段地基开展有限元分析，探讨其沉降对坝体稳定性影响特性。

3 地基处理前后有限元计算分析

3.1 地基沉降计算

3.1.1 模型建立与强度准则

针对该土石坝地基沉降，选择桩号0+200～1+200区段内作为研究长度，包括有软土地基，作为该土石坝体最大沉降区段内，即以坝体最危险段开展沉降计算。利用ANSYS数值平台建立坝体几何模型，并采用具有三个自由度变形方向的四面体SOLID45单元模型作为微单元体，划分单元网格数31 266个，节点数20 654个，如图1所示。

图1 数值模型

针对坝体岩土材料特性，选择D-P准则作为坝体岩土材料应力变形屈服准则，D-P准则与M-C准则示意图如图2所示[15-16]。

图2 D-P准则与M-C准则示意图

其公式可表述如式(5)、(6)所示：

(5)

式中：α、k指特性参数；I1、J2指第一、二不变张量；σx、τxy等不同角标指代各方向的压应力与剪应力。

且有:

(6)

式中:c、Φ指抗剪参数。

根据坝体不同岩土体特性，赋予其材料参数，并基于D-P准则计算坝体沉降。

3.1.2 计算结果

经对数值模型施加边界约束荷载后，获得坝体沉降分布与等值线图，如图3所示。从图中可看出，坝体地基最大沉降值为1.090 m，位于坝身心墙下软土区域处，坝体两侧岸坡地基沉降值最低，此为基岩刚度材料，沿着坝体主轴线，坝体均出现了一定沉降，沉降值分布在0.726～0.969 mm，表明坝体局部不均匀沉降显著，沉降最大差值为0.212 m，处于第一区段内，轴线方向上沉降差分布为0.118～0.212 m，以各个区段内土层接触面处出现最大沉降差。沉降等值线图可看出，在坝垂线方向上，等值线较为密集，分布间隔较为均匀，表明沉降分布处于均匀状态，坝体不均匀沉降特点较弱，但从坝体主轴线来看，等值线较稀疏分布，沉降值相差较大，不均匀沉降危险较高。

利用分层沉降总和取值理论方法，获得总沉降值为1.050 m，相比有限元模拟方法降低了3.7%，两者之间的差距，分析是由于有限元模型在计算土层沉降时，各土体之间接触层常常会平滑处理，且D-P强度准则以弹塑性应变为基准，塑性应变在间隔两个土层之间均会出现，并累积至最终沉降值；但分层沉降总和法依据人工土层划分，每层计算均是按照同一标准，计算结果较为保守。综合分析来看，无论是分层总和计算沉降亦或是有限元法，最终沉降值均超过规范设计要求，依据设计规范要求知[13]，坝体最大沉降值不可超过1%坝高，故该土石坝地基处于危险失稳状态。

图3 坝体沉降云图与等值线图

3.2 地基处理后沉降

3.2.1 地基处理方法及建模

经有限元分析与分层总和沉降计算，土石坝体地基受到严峻挑战，采用挤密砂桩手段，针对性解决土石坝地基软土沉陷以及加固砂土的作用。根据本项目地基实际情况，考虑采用桩径为1 m的砂桩，桩间距为5 m。

坝体单元同前文分析模型一致，砂桩亦采用SOLID 45四面体单元，桩与土体之间为接触摩擦，划分出单元网格数42 182个，节点数31 892个，如图4所示，施加边界荷载，包括上游水头压力，取水库正常运营区间内水位值。

图4 地基处理后数值计算模型

3.2.2 计算结果

图5为采用挤密砂桩处理后坝基沉降云图。从图中可看出，坝基最大沉降为0.124 m，相比未处理前，下降了88.6%，且最大沉降分布范围缩减至坝顶中心线处心墙上部黏土层中，坝基大部分沉降值集中在0.027～0.069 m，沉降值较小，最大沉降值亦满足规范设计要求。从等值线图来看，最危险地带坝顶中心线心墙区域处等值线分布均匀，虽较密集，但各等值线间隔均匀，最大沉降差为0.070 m，相比未处理前亦降低了67%，表明该区域沉降值较大，但土层之间不存在不均匀沉降；沿坝轴线沉降等值线分布基本类似，走向亦是一致，彼此间隔较为相等，沉降差恒定，即挤密砂桩处理后不均匀沉降现象受到抑制，总沉降值减小，土体之间稳定性得到极大提升，采用该手段地基处理是合理可行的。

图5 地基处理后沉降云图与等值线图

4 结 论

(1)研究了地基分层沉降求和理论可与有限元分析相结合，利用有限元软件建立数值模型，进而计算出坝体地基沉降值。

(2)获得了有限元计算下坝基最终沉降值为1.090 m，最大沉降差为0.212 m，位于坝身心墙软土区域处；分层沉降总和计算值相比前者方法降低了3.7%，为1.050 m；两种方法沉降计算值均超过规范设计要求，坝基处于危险失稳状态。

(3)研究利用挤密砂桩作为地基处理手段，获得了地基处理后沉降值为0.124 m，下降了88.6%，坝基大部分沉降值集中在0.027 m～0.069 m，最大沉降差为0.070 m，相比未处理前亦降低了67%，符合规范设计要求。