基于ANSYS的土石壩地基沉降數(shù)值模擬

叢日軍

(凌源市水務(wù)局，遼寧 凌源 122500)

基于ANSYS的土石壩地基沉降數(shù)值模擬

叢日軍

(凌源市水務(wù)局，遼寧 凌源 122500)

近年來，大型水樞紐工程的地段沉降數(shù)值模擬應(yīng)用越來越廣泛，其使用價(jià)值和理論意義在這些領(lǐng)域變得尤其突出。鑒于不同土壩段壩線長度、巖性、工程基質(zhì)不同，壩體及地基易發(fā)生破壞，針對石壩段地基沉降問題，借助ANSYS軟件進(jìn)行有限元法三維建模計(jì)算。工程模擬結(jié)果顯示：沉降量過大時(shí)，易發(fā)生危險(xiǎn)且不滿足設(shè)計(jì)使用要求，采用擠密砂樁地基處理方法加固地基較為有效。本文結(jié)果可為土石壩段地基加固提供參考。

土石壩；地段沉降；三維建模

基于ANSYS的土石壩工程地段沉降數(shù)值模擬在設(shè)計(jì)與施工中，對提高土石壩地基的質(zhì)量和整個(gè)生命周期的相關(guān)維護(hù)設(shè)計(jì)有重要的實(shí)踐價(jià)值和理論意義[1]。土石壩具有筑壩材料易得、技術(shù)成熟和便于施工等優(yōu)點(diǎn)，但也有地質(zhì)復(fù)雜多變、地段沉積預(yù)估困難和不確定性的缺點(diǎn)[2]。近年來相關(guān)研究成果不斷涌現(xiàn)。陳玉茹[3]等在基于土石二維有限元分析了壩滲流和壩坡穩(wěn)定，通過理論研究和數(shù)值模擬給出了土石壩加固方案。王其勇[4]等報(bào)道了土石壩的應(yīng)力監(jiān)測和變形監(jiān)測，研究表明基于ABAQUS有限元模擬分析與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比對能更好地反映土石壩的變形趨勢。劉軍[5]將面向?qū)ο蟮姆椒ńY(jié)合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)引入土木工程有限元數(shù)值分析領(lǐng)域，形成了一個(gè)集成的基于網(wǎng)絡(luò)有限元系統(tǒng)框架。本文根據(jù)基于ANSYS法分析土石壩設(shè)計(jì)中關(guān)于壩基處理及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)模擬，運(yùn)用有限元軟件對土石壩段地基沉降進(jìn)行仿真模擬，綜合各方因素提出理論方案。

1 工程概況

1.1 水庫概況

何家溝水庫位于凌源市刀爾登鎮(zhèn)南店村，屬灤河水系青龍河上游二級支流，流域重心位于東經(jīng)119°06′32″、北緯40 °40′57″。壩址以上河長1.61km，水庫集雨面積1.90km2，河道平均比降59‰。水庫正常蓄水位334.07m，相應(yīng)庫容13.57萬m3；死水位327.45m，相應(yīng)庫容0.71萬m3；設(shè)計(jì)洪水位335.13m，相應(yīng)庫容16.60萬m3；校核洪水位335.96m，相應(yīng)庫容19.03萬m3。大壩背水坡進(jìn)行壩體培厚，原來三級壩坡坡比1∶1.1、1∶1.9、1∶2.0，除險(xiǎn)加固時(shí)改為1∶2.25、1∶2.25、1∶2.5，采用碎石護(hù)坡型式，大壩填筑料為砂礫料，碾壓相對密度不小于0.75，大壩土料壓實(shí)度不小于0.96，在高程332.02m處修建寬為1.50m的戧臺(tái)，戧臺(tái)采用干砌石結(jié)構(gòu)，修兩道上壩臺(tái)階，臺(tái)階采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)縱向排水溝兩道，在高程324.42m處設(shè)棱體排水。

1.2 土石壩結(jié)構(gòu)

根據(jù)壩體分區(qū)設(shè)計(jì)，結(jié)合土壩段的地質(zhì)條件，按土壩起始樁號(hào)將土壩分為三段，分別為丘陵壩段、二級階地壩段和一級階地壩段[6〗。以北壩頭為控制起點(diǎn)，樁號(hào)0-030～0+020段為原狀山體，0+015～0+148段為丘陵壩段；0+148～1+150.3段為二級階地壩段；2+150.3～2+274為一級階地壩段。壩體填筑料為附近的土料及砂石料，進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)(結(jié)果見右表)。

壩殼砂壓縮試驗(yàn)結(jié)果表

2 基于ANSYS的地基沉降數(shù)值模擬方法研究

2.1 控制方程

有限元法的基本思路：土體雖然不同于其他彈性材料，但求解其應(yīng)力應(yīng)變的方法原理是相通的。先假設(shè)土體是彈性材料，用結(jié)點(diǎn)位移表示單元任意點(diǎn)的位移，矩陣表達(dá)式為

U=N{δ}ω

(1)

導(dǎo)出單位剛度矩陣，若考慮土體側(cè)向變形，則需要轉(zhuǎn)化為空間問題。假設(shè)土體單元是一個(gè)空間正方體，實(shí)際單元轉(zhuǎn)換到母單元的坐標(biāo)變換，用位移函數(shù)表示為

( i=1,2,3，…,8)

(2)

式中ξt，ηt，δt——結(jié)點(diǎn)在所在坐標(biāo)系的局部位置。

2.2 前處理

何家溝工程土石壩丘陵段(樁號(hào) 0-030～0+138)，屬于弱膨脹性土巖雙層結(jié)構(gòu)；二級階地段(樁號(hào) 0+138～2+140.30)整體屬于土巖雙層結(jié)構(gòu)，上覆構(gòu)地層，厚度 12～17.7m；一級階地段(樁號(hào)2+140.3～3+271)具河流相二元結(jié)構(gòu)特征，總厚度12～15m，下部透水層厚度5～11m，整體性比較完整。由于 0+900～1+200壩段含有較大斷層且跨越不同巖性地基，對壩體最大沉降及不均勻沉降都有較大影響，選定二級階地段 0+900～1+200壩段作為特征壩段建立模型。坐標(biāo)系采用笛卡兒直角坐標(biāo)系，利用 CAD三維建模建立該壩段的三維圖形，對地基進(jìn)行三維切割。利用CAD與ANSYS之間的兼容性，此次模擬根據(jù)計(jì)算劃分網(wǎng)格均采用solid45單元。solid45單元為3D8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，該單元具有塑性、大變形及應(yīng)力剛化等特性。

2.3 模型選取

采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則進(jìn)行本構(gòu)選取設(shè)計(jì)，既能保證計(jì)算的工作量不致過大又能滿足計(jì)算精度，得到比較理想的結(jié)果。本文地基等效模型采用 DP 模型，在 DP 模型及相關(guān)地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，根據(jù)壩體不同地基層、不同區(qū)域擁有不同的材料屬性，本構(gòu)關(guān)系構(gòu)造準(zhǔn)則在主應(yīng)力空間中的屈服面為直立圓錐。

Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則表達(dá)式為

(3)

I1=σx+σy+σz

(4)

(5)

式中α——材料常數(shù)，通過與土體的力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化得到；

I1——應(yīng)力張量的第一不變量；

J2——應(yīng)力偏張量的第二不變量。

2.4 模型離散化

在劃分網(wǎng)格之前，由于壩腳處坡比較小，運(yùn)算將實(shí)體共節(jié)點(diǎn)，壩體與地基接觸處不適合劃分六面體單元，所以選擇四面體單元自由劃分，劃分步長選為5，最終劃分為56217個(gè)單元(見圖1)。

圖1 土石壩特征壩段地基沉降計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果分析

在地基底層底面施加全約束，在其余端面分別施加垂直該面的約束，在z軸正方向設(shè)置重力加速度。通過計(jì)算，利用ANSYS后處理功能，提取z軸方向位移云圖及位移等值線圖(見圖2)。

圖2 z軸方向位移云圖

采用ANSYS軟件計(jì)算，其結(jié)果往往相對保守，另外在選取土體參數(shù)時(shí)，參考范圍值往往取上限，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大。由沉降云圖可看出，壩體及地基最大位移即最大沉降發(fā)生在軟土斷層上的心墻處，最大位移達(dá)到1.09m，為最危險(xiǎn)位置，不滿足設(shè)計(jì)要求；除此之外，沿壩軸線方向、垂直壩軸線方向均有不同程度的不均勻沉降，沉降差最大為0.21m；由沉降等值線圖可以看出，垂直壩軸線方向等值線分布密集且較為均勻，說明垂直壩軸線方向不均勻沉降差較小且差值幾乎相同，沿壩軸線方向等值線分布稀疏且不太均勻，說明沿壩軸線方向不均勻沉降差較大且差值跨度也較大，由壩頂?shù)綁蔚谝浑A梯再到第二階梯的沉降差依次為 0.212m、0.21m、0.12m。根據(jù)GB 50007—2011及工程經(jīng)驗(yàn)可知，不均勻沉降差不大于發(fā)生不均勻沉降結(jié)構(gòu)尺寸的5%，不均勻沉降也不滿足設(shè)計(jì)要求。

4 地基處理

為防止解決飽和砂土地震問題，提高其抗液化能力，加之沉降量過大，需要減少地基沉降，由工程經(jīng)驗(yàn)初步選擇砂樁作為處理方案。在地基模型中加入樁體，樁體單元類型同取solid45，由于擠密砂樁本身仍是土體結(jié)構(gòu)，本構(gòu)模型也用DP模型，網(wǎng)格劃分也選用4面體自由化分，共劃分為41117個(gè)單元。由于樁體與壩體、地基之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系并不能用簡單的共節(jié)點(diǎn)表示，因此在樁體與壩體、地基間用ANSYS 接觸模擬設(shè)置接觸摩擦。由于壩運(yùn)行時(shí)，上下游均有水壓力，滲流作用會(huì)造成壩體及地基含水，故加載時(shí)模擬上下游水壓力，上游以正常蓄水位作為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在浸潤線以下，取飽和重度計(jì)算(見圖3)。

圖3 z軸方向位移云圖

由結(jié)果分析可得，用擠密砂樁處理地基使之形成復(fù)合地基后，最大沉降量為0.12m，小于壩高(21.60m)的1%(0.22m)，不均勻沉降最大差值僅為0.07m(對整個(gè)系統(tǒng)的影響可以忽略)，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，故擠密砂樁地基處理方案是可行的。

5 結(jié) 語

土石壩段地基沉降數(shù)值模擬技術(shù)在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，本文對基于ANSYS分析土石壩地段沉積方法進(jìn)行研究，證明該方法具有一定的參考價(jià)值，為以后地基沉降的計(jì)算，提供了不同的計(jì)算方法依據(jù)，開拓了實(shí)用工具，主要得出以下結(jié)論：利用本構(gòu)關(guān)系模型可有效、簡便解決非線性問題的計(jì)算，仿真結(jié)果直觀具體、準(zhǔn)確度高，可得出每處的沉降情況；按工程設(shè)計(jì)要求，通過有限元法建模模擬計(jì)算結(jié)果可知最大沉降量為1.09m，位置在斷層軟土地基處，不滿足設(shè)計(jì)要求；地基沉降數(shù)值過大，無法滿足工程需要，采取擠密砂樁法處理地基后，利用有限元法模擬得到的最大沉降量為0.124m，不均勻沉降最大差值僅為0.07m，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

[1] 李欽智.土石壩漫頂潰壩模擬分析計(jì)算[J].水利建設(shè)與管理,2016(9):33-35.

[2] 王海凌,達(dá)娃,王海霞.基于Ansys熱分析模塊的大壩滲流分析——以西藏滿拉水利樞紐為例[J].西北水電,2015(1):77-80.

[3] 陳玉茹.基于土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定的二維有限元分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2014(4):13-15.

[4] 王其勇,王義重,潘孝城,等.土石壩安全監(jiān)測與有限元模擬[J].地震工程學(xué)報(bào),2011(8):274-280.

[5] 劉軍,劉漢龍,張正珺.爆炸荷載下土石壩動(dòng)力響應(yīng)特征的數(shù)值模擬[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2010(1):10-16.

[6] 楊洋,黃德強(qiáng).土石壩低彈模塑性混凝土防滲墻應(yīng)力變形分析[J].中國水能及電氣化,2014(9):52-56.

Numerical Simulation of Earth-rock Dam Foundation Settlement Based on ANSYS

CONG Rijun

(LingyuanWaterBureau,Lingyuan122500,China)

In recent years, numerical simulation of section settlement in large water conservancy projects is applied more and more widely. Its use value and theory significance become prominent particularly in these fields. Since different earth dam sections have different dam line length, lithology and engineering matrixes, it is prone to destroy the dam body and foundation. ANSYS software is utilized for finite element method 3d modeling calculation aiming at earth-rock dam foundation settlement. The engineering simulation results show that when the settlement is too large, it is easy to produce risk, design requirements are not satisfied, sand compaction pile foundation treatment method is adopted to reinforce foundation more effectively. The results of the paper can be used as reference for foundation reinforcement in earth-rock dams.

earth-rock dam; section settlement; 3d modeling

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.06.012

TV32+2

A

1673-8241(2017)06- 0049- 04