河道堤防工程抗塑性損傷數值模擬分析探討

柏 麗

(遼寧澤龍水利實業有限責任公司，沈陽 110003)

0 前 言

河道堤防工程抗塑性損傷分析是近些年來堤防穩定性分析的重要措施之一，當前對于河道堤防抗塑性損傷分析已取得一定研究成果[1-5]，但這些方法大都針對某一個堤防斷面監測點進行抗塑性損傷分析，而對于整個河段堤防抗塑性損傷分析的研究還較少，主要是缺乏分析的技術手段。近些年來，Lee-Fenves 模型通過分析水工混凝土的抗拉曲線，分析其抗塑性損傷的沿程分布，在一些水利工程抗塑性損傷分析中得到具體應用，但是在河道堤防工程中應用還較少，為此文章創新引入Lee-Fenves 模型，以遼寧某河道堤防工程為具體實例，基于該模型對整個河道堤防的抗塑性損傷的沿程分布進行分析，從而為其穩定性分析提供重要的支撐依據。

1 模型計算原理

模型首先對河道堤防水工混凝土的抗塑應力進行計算：

(1)

式中：σ為有效應力值(kpa)；E0為初始階段的彈性模量值(kpa)；ε為應力總變量；εP為抗塑變量；D為伸縮剛性變量。結合剛性屈服和流動準則在應力計算基礎上對其剛性屈度進行計算：

(2)

(3)

其中

(4)

式中：λ為抗塑穩定變量；ap為混凝土抗塑穩定性計算系數。河道堤防塑性損傷計算方程為：

(5)

式中：σg為應力變化狀態曲線。河道堤防在不同應力條件下的抗震強度計算方程為：

(6)

式中：ag抗震強度計算系數。文章對Lee-Fenves 模型的應力曲線進行改進：

(7)

其中：

(8)

式中：Y為計算應力；f為強度參數；X為承載比；af為混凝土抗拉系數；lf為堤防長度(m)；df堤防寬度(m)；pf為抗拉應力(kpa)。模型抗塑性損傷計算方程調整為：

σ=f((εp)

(9)

其中：

εp=ε-σ/E

(10)

式中：σ為剪切應力，kPa。

2 實例應用

2.1 河道堤防概況

以遼寧某河道堤防為具體分析實例，結合的Lee-Fenves模型對河道堤防的塑性損傷進行沿程數值模擬分析，并結合原位觀測試驗對其塑性損傷值進行測定，分析模型計算誤差，并對其計算參數進行測定，結果如表1所示。

表1 Lee-Fenves模型塑性損傷計參數測定結果

2.2 誤差分析

抗拉性是反映混凝土土石壩塑性損傷的主要特性指標，結合原型觀測試驗對改進前后的Lee-Fenves模型對混凝土的抗拉強度進行驗證和對比，計算結果見表2。

表2 模型抗拉強度計算結果對比

Lee-Fenves模型主要通過對河道堤防水工混凝土不斷監測斷面的抗拉強度進行分析，確定各斷面的抗拉曲線，通過對其抗拉曲線的分析確定其塑性損傷值。從各監測斷面的抗拉強度試驗測定結果可看出，其抗拉強度曲線呈現明顯的二次變化，底部斷面的抗拉強度較小，而其頂部斷面抗拉強度最大，底部受河床軟土地基影響，其抗拉強度值較低，而隨著縱向深度的增加，其縱向抗拉強度逐步提高，頂部的抗拉強度達到最大值。通過Lee-Fenves模型對各監測斷面的抗拉強度進行了計算，并結合各斷面試驗測定的抗拉強度對其計算值進行誤差分析，從各監測斷面的誤差分布可看出，傳統方法計算的抗拉強度值和試驗測定值之間的誤差分布較大，總體誤差在13.9%-26.3%之間，這主要是因為傳統方法未能考慮河道堤防水工混凝土不同斷面抗拉強度曲線的變化，使得其計算誤差總體較大，而從文章方法計算的各監測斷面的誤差可看出，相比于傳統方法，文章方法計算的抗拉強度和試驗測定的抗拉強度誤差均低于10%，具有較好的計算精度，這主要是因為Lee-Fenves模型可考慮水工混凝土的抗拉曲線沿程變化，更符合河道堤防水工混凝土的抗拉強度的變化，使得其計算誤差要明顯好于傳統方法。且文章方法結合模擬分析的抗拉曲線可實現不斷斷面之間抗拉強度的動態變化，相比于傳統計算方法，更吻合河道堤防水工混凝土的抗拉強度縱向分布的變化特征。

2.3 河道堤防塑性損傷沿程分析

采用Lee-Fenves模型對該河道堤防工程的抗拉強度曲線進行分析，結果該動態變化曲線對河道堤防水工混凝土在不同靜力荷載條件下的沿程塑性損傷值進行模擬，數值模擬結果如圖1所示。

從分析結果可看出，隨著河道堤防混凝土水壓靜力荷載的逐步增強，河道堤防水工混凝土的塑性損傷的范圍逐步增加，當水壓靜力荷載為20kpa時，河道堤防塑性損傷主要集中在底部斷面區域，而當水壓靜力荷載為30kpa時，其堤防塑性損傷范圍有所減小，且堤防塑性損傷的區域逐步向頂部遷移。當水壓靜力荷載為40kpa時，河道堤防水工混凝土的塑性損傷的范圍進一步減小，而當水壓靜力荷載為50kpa時，河道堤防水工混凝土的塑性損傷值達到最低，河道堤防水工混凝土的穩定性增強。此外還可看出，隨著水壓靜力荷載的逐步增強，其抗震強度也有所增加，當水壓靜力荷載從20kpa增加到50kpa后，該河道堤防水工混凝土的抗拉強度遞增率約為25%，沿程塑性損傷面積減小百分比的均值約為35%，這主要是因為隨著水壓靜力荷載的增加，其水工混凝土的密實度、黏聚力將得到一定程度的提升，從而增加了其抗拉強度以及降低其沿程塑性損傷面積。通過不同水壓靜力荷載的沿程塑性損傷范圍分析結果可以確定河道堤防的較易受損傷的區域，建議在河道堤防易受損傷的區域增加水工混凝土的厚度，從而降低其塑性損傷值，提高其穩定性。

H=20kPa

3 結 論

1)Lee-Fenves模型可考慮水工混凝土的抗拉曲線沿程變化，更符合河道堤防水工混凝土的抗拉強度的變化，使得其計算誤差要明顯好于傳統方法。且文章方法結合模擬分析的抗拉曲線可實現不斷斷面之間抗拉強度的動態變化，相比于傳統計算方法，更吻合河道堤防水工混凝土的抗拉強度縱向分布的變化特征。

2)當水壓靜力荷載從20kPa增加到50kPa后，該河道堤防水工混凝土的抗拉強度遞增率約為25%，沿程塑性損傷面積減小百分比的均值約為35%，這主要是因為隨著水壓靜力荷載的增加，其水工混凝土的密實度、黏聚力將得到一定程度的提升，從而增加了其抗拉強度以及降低其沿程塑性損傷面積。

3)通過不同水壓靜力荷載的沿程塑性損傷范圍分析結果可以確定河道堤防的較易受損傷的區域，建議在河道堤防易受損傷的區域增加水工混凝土的厚度，從而降低其塑性損傷值，提高其穩定性。