基于 ABAQUS 土石壩的應力、位移及穩定性分析

摘 要：隨著計算機技術的發展和廣泛應用， 各種數值分析方法開始應用到巖土工程中來， 其中有限單元法因為其對邊界條件的適應性以及能很好的模擬各種土的本構關系， 使其在巖土工程計算中得到廣泛的應用。本文選用基于 ABAQUS計算軟件環境下的強度折減有限元法，進行土石壩在設計洪水位作用下的應力、位移及穩定性分析。

關鍵詞：土石壩；ABAQUS；強度折減法；穩定性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.237

0 引言

有限元進行邊坡穩定性分析受到關注。與傳統方法相比，有限元法優勢明顯。本文選用基于 ABAQUS 計算軟件環境下的強度折減法，進行土石壩在設計洪水位作用下的應力、位移及穩定性分析[1]。

1 算例分析

均質土石壩，壩頂高程50.0m，底高程0.0m，頂寬度 8.0m，上游壩坡 1：2.5，高程20.0m 處上游壩坡設有3m 寬馬道，高程 25.0m處下游壩坡設有 2m 寬馬道，下游壩坡 1：2.0。上游設計洪水位高程 46.0m，下游水位高程4.0m，下游排水棱體頂寬 3.0，頂高程 5.0m，底高程 0.0m，上游邊坡 1：1.5，下游邊坡1：1.5。

壩體材料如下表所示：

取土石壩部位最大橫斷面為典型剖面， 進行二維非線性有限元分析。網格單元類型為 CPE4。左右邊界均采用水平約束，底面采用水平豎向約束。先對整體模型進行地應力平衡，然后施加靜水壓力分析壩體的應力及位移情況，最后分析在設計洪水作用下的壩體穩定性[2]。取河床部位最大橫斷面為計算的典型剖面，進行有限元分析。采用的Mohr-Coulomb 模型，摩擦系數取 0.3。

2 計算結果應力分析

ABAQUS 中以拉為正， ABAQUS 中的小主應力對應于巖土工程中的大主應力。 在設計洪水作用下土石壩的屈服應力、 小主應力等值線云圖如下圖 1和圖 2?？梢?，壩體屈服應力及小主應力有較好的分布規律，主應力值隨壩體斷面高程增加而減小，壩體小主應力的最大值為 0.8545Mpa。

圖 3、 圖 4分別為土石壩在自重作用下的水平位移云圖和靜水壓力作用下的水平位移云圖。 位移符號規定：水平位移向下游為正， 單位為 m。 由圖可知， 大壩在自重作用下， 壩體的水平位移呈大致對稱分布，各自指向坡外方向； 在施加靜水壓力后壩體上游坡腳水平位移發生明顯向下游傾斜情況， 最大位移為1.182m， 這是由于壩基密度較低， 在設計洪水位作用下容易發生大的位移。

3 結語

依托算例分析，考慮洪水時的約束關系，建立了相應的結構圖仿真模型，并計算模擬典型洪水過程的水庫水位變化曲線。結果表明：由于洪水歷時短，上、下游壩坡的穩定系數變化趨勢與水庫水位基本一致。本文方法為洪水作用下的土石壩應力、位移及穩定性分析提供了新的途徑。

參考文獻：

[1]祁慶和.水工建筑物[M].北京：水利水電出版社，1992.

[2]費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

作者簡介：劉強（1991-），男，湖北黃梅縣人，研究生，研究方向：抗拔樁基礎。