某堤坝受力和位移的数值模拟研究

张庆丽，邱凌燕

（费县许家崖水库管理中心,山东 费县 273400）

1 前言

堤坝工程在水利工程中发挥重要作用,对此学者们进行了大量的研究。舒国新[1]对堤坝建设过程中出现的问题进行了总结,并针对堤坝的渗流破坏提出了维修建议。果丽[2]认为堤坝的防治加固是堤坝工程的核心技术,并结合某堤坝的渗流破坏提出了解决措施。曹恒亮等[3]利用地质雷达对堤坝的裂缝进行了检测,检测结果表明：雷达探测检测堤坝裂缝效果明显。程静[4]利用Geostudio 软件对地震作用下堤坝的受力和位移进行了研究,研究结果表明：地震作用下堤坝的浸润线会发生变化,浸润线以下的岩土体的受力也会随之发生变化。薛文宇等[5]对渐变溃口下的河道堤坝进行了数值模拟研究,研究结果表明：对形状渐变的堤坝应当采取不同的分析模型,此种研究方法可更为准确地对堤坝进行分析。张西文等[6]对地震作用下的堤坝进行数值模拟研究,研究结果表明：在计算饱和砂土液化时,应当调整计算程序,以便使计算更加符合实际。左书华等[7]利用FEFLOW 模型对某堤坝进行了研究,研究结果表明：渗流速度对于防渗措施有重要的指导意义。张聪等[8]利用黏土固化浆液,对堤坝进行防渗研究,研究结果表明：脉动注浆压力在0.2 MPa~2 MPa 范围内时,防渗效果较好。

然而以上的研究大多基于堤坝防渗工作开展,并没有对堤坝的位移、受力进行研究,对此本文结合一实际堤坝工程,利用MIDAS GTS 软件对堤坝的渗流、位移和受力进行研究。

2 工程概况

该堤坝位于四川省眉山市,堤坝建立于基岩上,堤坝由基岩由坝体、心墙、反滤层组成（图1）,堤坝长110 m、宽60 m、高35 m（图1）,堤坝的物理力学性质见表1。

表1 堤坝物理力学性质

图1 堤坝组成

3 数值模拟

3.1 模型参数

对堤坝材料进一步提取渗透条件下的力学参数,心墙的饱和容重为21.3 kN/m3,渗透参数kx、ky和kz均为1.83×10-5m/s,粘聚力为31 kPa,内摩擦角34°。反滤层的饱和容重为22.5 kN/m3,渗透参数kx、ky和kz均为1.1×10-4m/s,内摩擦角33°。坝体的饱和容重为22 kN/m3,渗透参数kx、ky和kz均为1.6×10-2m/s,内摩擦角39°。基岩的饱和容重为23 kN/m3,渗透参数kx、ky和kz均为1.3×10-5m/s,内摩擦角43°。

3.2 模拟步骤

建立模型并对心墙、 反滤层、坝体和基岩赋与参数。对坝体边界节点处赋予初始水位22m水位值，继而72s时间段内赋予5m的水位值，最后赋予100s时间段内5m的水位值,当水位值稳定在5 m时,可认为坝体处于渗流稳定状态。

3.3 坝体生成后的受力和位移

数值模拟计算完成后,坝体的受力分析见图2。

图2 堤坝岩土体受力

如图2（a）所示,堤坝X 方向所受应力表层数值范围主要为11.9 kPa~60.1 kPa,此区域约占整个堤坝的33%,由于此区域的受力较小,可认为X 方向的受力不会对堤坝安全造成隐患。随着堤坝深度的增加,X 方向所受应力逐渐增大,最大数值为590.5 kPa,超过400 kPa 的岩土体仅占整个堤坝的3%,由此数值可知,堤坝并未出现应力集中现象。以上数据均不超过岩土体的极限受力,从X 方向所受应力分析可知,堤坝X 方向的受力是满足工程要求的。

如图2（b）所示,堤坝Y 方向所受应力表层数值范围主要为9.4 kPa~40.9 kPa,此区域约占整个堤坝的27%,由于此区域的受力较小,可认为Y 方向的受力不会对堤坝安全造成隐患。随着堤坝深度的增加,Y 方向所受应力逐渐增大,最大数值为540.5 kPa,超过400 kPa 的岩土体仅占整个堤坝的2%,由此数值可知,堤坝并未出现应力集中现象。以上数据均不超过岩土体的极限受力,从Y 方向所受应力分析可知,堤坝Y 方向的受力是满足工程要求的。

如图2（c）所示,堤坝Z 方向所受应力表层数值范围主要为61.4 kPa~98.4 kPa,此区域约占整个堤坝的28%,由于此区域的受力较小,可认为Z 方向的受力不会对堤坝安全造成隐患。随着堤坝深度的增加,Z 方向所受应力逐渐增大,最大数值为1110.5 kPa,超过900 kPa 的岩土体仅占整个堤坝的3%,由此数值可知,堤坝并未出现应力集中现象。以上数据均不超过岩土体的极限受力,从Z 方向所受应力分析可知,堤坝Z 方向的受力是满足工程要求的。

由图2 可知,堤坝所受Z 方向的应力最大,但是最大值依然不超过材料的极限应力值；堤坝的受力没有出现应力集中现象；由以上可知堤坝的建设是满足工程要求的。

3.4 基坑开挖后受力

基坑开挖后锚杆和围护桩所受应力见图3。

图3 坝体渗流影响

由图3（a）可知,心形墙及反滤层的等效应变范围为4.9×10-4~1.1×10-3,随着深度的增加,应变逐渐减小,最小应变为1.8×10-7,此区域位于基岩处,应变的变化规律与应力的变化规律相反,因为若应力增大,那么应变必然变小,此变化规律符合岩土体的应力应变的规律。

由图3（b）可知,堤坝的塑性破坏区主要集中于堤坝右侧区域,且塑性破坏区约占整个堤坝的2%,说明堤坝大部分岩土的变形处于弹性变化阶段,不会对堤坝的安全造成不良影响。

由图3（c）可知,堤坝的渗流方向从左侧开始,一直流向右侧。最大渗流速度为2.0×10-3m/h,右侧最大渗流速度为8.2×10-4m/h,以上的渗流速度和方向与工程实际相符。

由图3（d）可知,浸润线位于堤坝顶部以下8 m~22 m,由此可知,堤坝防护的重点区域在浸润线附近及其以下区域,若后期需对堤坝进行位移监测,浸润线区域是监测的重点。

由图3 可知,堤坝的等效应变控制在合理范围内,渗流速度和渗流方向与工程实际相符,浸润面区域是堤坝后期监测的重点。

由图4（a）可知,堤坝最大水平位移为13 mm,主要集中于堤坝顶部,超过8 mm 区域的岩土体约占整个堤坝的12%,说明位移分布较为合理。堤坝最大竖向位移（图4（b））,同样分布于堤坝顶部,最大值为6 mm；堤坝的总位移最大值为18 mm,由堤坝的最大水平位移和竖向位移数值可知,堤坝的总位移主要由最大水平位移产生。因堤坝的位移均不超过20 mm（堤坝位移安全值）,可认为堤坝的建设是满足工程要求的。

图4 坝体位移

4 结论

本文结合MIDAS GTS 软件,对堤坝的渗流、位移和受力进行研究,研究结果表明：

（1）堤坝所受Z 方向的应力最大,但是最大值不超过堤坝材料的极限应力值；堤坝的受力没有出现应力集中现象,由以上受力可知堤坝的建设是满足工程要求的。

（2）堤坝的等效应变控制在合理范围内,渗流速度和渗流方向与工程实际相符,浸润面区域是堤坝后期监测的重点区域。

（3）堤坝的最大水平位移和竖向位移数值可知,堤坝的总位移主要由最大水平位移产生。堤坝的位移均不超过20 mm（堤坝位移允许值）,可认为堤坝的建设是满足工程要求的。