基于ABAQUS的堆石壩滲流分析

邢爽

摘要：為同時考慮粘土心墻堆石壩滲流場和應力場耦合作用，采用 abaqus 軟件計算了正常蓄水位時壩體位移、應力特性及滲流時壩體邊坡穩定性。結果表 明，大壩在正常蓄水位下不會出現滲流破壞，心墻壩的應力-應變符合一般規律，壩體的應力和變形形態符合一般規律，壩體的應力和變形形態基本良好， 在穩定滲流作用下，上下游壩坡穩定，抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

關鍵詞：堆石壩;有限元;ABAQUS;流固耦合

1有限元及 ABAQUS 簡介

1.1有限元簡介。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解， 而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

1.2 ABAQUS 簡介。ABAQUS 是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。 作為通用的模擬工具，ABAQUS 除了能解決大量結構（應力 / 位移）問題，還可以模擬其他工程領域的許多問題，例如熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學分析（流體滲透 / 應力耦合分析）及壓電介質分析。

ABAQUS 有兩個主求解器模塊— ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。

ABAQUS 還包含一個全面支持求解器的圖形用戶界面，即人機交互前后處理模塊 — ABAQUS/CAE 。 ABAQUS 對某些特殊問題還提供了專用模塊來加以解決。

2問題描述與基本原理

2.1問題基本描述。某擋河大壩由左岸、河中碾壓混凝土重力壩和右岸粘土心墻堆石壩組成混合壩。混凝土部分壩頂高程為 1139m，心墻堆石壩部分壩頂高程為 1141m，兩壩型壩頂間通過 5%的坡相連。碾壓混凝土重力壩部分最大壩高 159m，心墻堆石壩部分最大壩高 71m。壩頂總長 1158m，其中混凝土壩部分 838m，心墻堆石壩部分 320m。正常蓄水位 1134m。

混凝土壩和心墻堆石壩之間采用插入式軟接頭布置形式：心墻堆石壩的防滲體為土質心墻，采用自上而下逐漸加固的形式。心墻頂寬 6m，兩側坡度為1：0.2，。為保護心墻不發生滲透變形，在心墻的上下游均布置了兩層反濾層，上游側厚度均為 3m、下游側厚度為 4m。心墻在靠近軟硬接觸面頂部約 82m 處開始漸變為 12m，上游坡比保持 1：0.2，下游坡比變為 1：0.5。下游兩層反濾的厚度漸變為 6m，混凝土壩的 42#壩段插入堆石壩中，與堆石壩的接觸面坡度為 1：0.3。粘土心墻與混凝土接觸面 2m 范圍內由純粘土填筑。上下游的兩層反濾均向左延伸過接觸面，包裹粘土心墻。在連接部位，上游粘土心墻伸過接觸面 10m，并向左岸放坡 1：0.2，下游粘土心墻則完全攔擋在右側。壩體的上下游堆石向左伸過軟硬接觸面，上游堆石已包裹至岸邊溢洪道的壩前，而下游包裹的堆石則被溢洪道泄槽的右邊墻支擋。堆石壩粘土心墻在靠近接頭部分心墻頂寬漸變為 12m，上有坡度保持 1：0.2，下游側坡漸變為 1：0.5。

2.2流固耦合基本原理。流固耦合問題可由其耦合方程定義，這組方程的定義域同時有流體域與固體域。而未知變量含有描述流體現象的變量和含有描述固體現象的變量，一般而言具有以下兩點特征：

1）流體域與固體域均不可單獨地求解

2）無法顯式地削去描述流體運動的獨立變量及描述固體現象的獨立變量從總體上來看，流固耦合問題按其耦合機理可分為兩大類：

第一類問題的特征是耦合作用僅僅發生在兩相交界面上，在方程上的耦合是由兩相耦合面上的平衡及協調來引入的如氣動彈性、水動彈性等。

第二類問題的特征是兩域部分或全部重疊在一起，難以明顯地分開，使描述物理現象的方程，特別是本構方程需要針對具體的物理現象來建立，其耦合效應通過描述問題的微分方程來體現。

3有限元建模分析

3.1有限元計算原理

3.1.1有效應力原理。在 abaqus 中應力以拉為正，而液體壓力u w 和氣體壓力ua 則以壓為正。因此 abaqus 中有效應力原理為

3.1.2滲透定律

3.1.3定義與空壓相關的孔隙流動

3.1.4飽和度和基質吸力之間的關系

在土體這種孔隙材料中，土體非飽和意味著總空隙水壓力uw <0，- uw 反映了材料的基質吸力。

但利用 abaqus 分析非飽和土問題時，必須分別指定吸濕曲線和脫水曲線以及在兩者之間的變化規律。否則，不論uw 是多少，abaqus 都會將土視為完全飽和的，達不到非飽和滲流分析目的。

3.1.5soils 中的分析類型

穩態分析認為流體的流動速度、體積等都隨時間不變化。因而穩態分析中的時間選擇只和本構模型材料的率效應有關系。穩態分析步中，載荷隨分析步的時間變化是線性。穩態分析是強非對稱的，因而在穩態分析中自動采用非對稱的剛度矩陣存儲和求解方法。

4結論

通過對堆石壩的數值模擬，了解到在滲流過程中飽和區域存在正孔壓， 而非飽和區域存在負孔壓（即基質吸力）;逸出點的滲流速度最大，與實際情況一致;粘土心墻起到了防滲的效果;由于在接頭處存在繞流，導致靠近接頭處的孔壓比遠離接頭處的孔壓高;滲流是隨時間緩慢發展的，并逐漸趨于穩 定。

參考文獻：

[1]張昭，蔡志勤.有限元方法與應用[M].大連：大連理工大學出版社， 2011.

（作者單位：中國建筑一局（集團）有限公司）