某堤壩受力和位移的數(shù)值模擬研究

張慶麗，邱凌燕

（費(fèi)縣許家崖水庫管理中心,山東 費(fèi)縣 273400）

1 前言

堤壩工程在水利工程中發(fā)揮重要作用,對此學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。舒國新[1]對堤壩建設(shè)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了總結(jié),并針對堤壩的滲流破壞提出了維修建議。果麗[2]認(rèn)為堤壩的防治加固是堤壩工程的核心技術(shù),并結(jié)合某堤壩的滲流破壞提出了解決措施。曹恒亮等[3]利用地質(zhì)雷達(dá)對堤壩的裂縫進(jìn)行了檢測,檢測結(jié)果表明：雷達(dá)探測檢測堤壩裂縫效果明顯。程靜[4]利用Geostudio 軟件對地震作用下堤壩的受力和位移進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：地震作用下堤壩的浸潤線會(huì)發(fā)生變化,浸潤線以下的巖土體的受力也會(huì)隨之發(fā)生變化。薛文宇等[5]對漸變潰口下的河道堤壩進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,研究結(jié)果表明：對形狀漸變的堤壩應(yīng)當(dāng)采取不同的分析模型,此種研究方法可更為準(zhǔn)確地對堤壩進(jìn)行分析。張西文等[6]對地震作用下的堤壩進(jìn)行數(shù)值模擬研究,研究結(jié)果表明：在計(jì)算飽和砂土液化時(shí),應(yīng)當(dāng)調(diào)整計(jì)算程序,以便使計(jì)算更加符合實(shí)際。左書華等[7]利用FEFLOW 模型對某堤壩進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：滲流速度對于防滲措施有重要的指導(dǎo)意義。張聰?shù)萚8]利用黏土固化漿液,對堤壩進(jìn)行防滲研究,研究結(jié)果表明：脈動(dòng)注漿壓力在0.2 MPa~2 MPa 范圍內(nèi)時(shí),防滲效果較好。

然而以上的研究大多基于堤壩防滲工作開展,并沒有對堤壩的位移、受力進(jìn)行研究,對此本文結(jié)合一實(shí)際堤壩工程,利用MIDAS GTS 軟件對堤壩的滲流、位移和受力進(jìn)行研究。

2 工程概況

該堤壩位于四川省眉山市,堤壩建立于基巖上,堤壩由基巖由壩體、心墻、反濾層組成（圖1）,堤壩長110 m、寬60 m、高35 m（圖1）,堤壩的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 堤壩物理力學(xué)性質(zhì)

圖1 堤壩組成

3 數(shù)值模擬

3.1 模型參數(shù)

對堤壩材料進(jìn)一步提取滲透條件下的力學(xué)參數(shù),心墻的飽和容重為21.3 kN/m3,滲透參數(shù)kx、ky和kz均為1.83×10-5m/s,粘聚力為31 kPa,內(nèi)摩擦角34°。反濾層的飽和容重為22.5 kN/m3,滲透參數(shù)kx、ky和kz均為1.1×10-4m/s,內(nèi)摩擦角33°。壩體的飽和容重為22 kN/m3,滲透參數(shù)kx、ky和kz均為1.6×10-2m/s,內(nèi)摩擦角39°?；鶐r的飽和容重為23 kN/m3,滲透參數(shù)kx、ky和kz均為1.3×10-5m/s,內(nèi)摩擦角43°。

3.2 模擬步驟

建立模型并對心墻、 反濾層、壩體和基巖賦與參數(shù)。對壩體邊界節(jié)點(diǎn)處賦予初始水位22m水位值，繼而72s時(shí)間段內(nèi)賦予5m的水位值，最后賦予100s時(shí)間段內(nèi)5m的水位值,當(dāng)水位值穩(wěn)定在5 m時(shí),可認(rèn)為壩體處于滲流穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 壩體生成后的受力和位移

數(shù)值模擬計(jì)算完成后,壩體的受力分析見圖2。

圖2 堤壩巖土體受力

如圖2（a）所示,堤壩X 方向所受應(yīng)力表層數(shù)值范圍主要為11.9 kPa~60.1 kPa,此區(qū)域約占整個(gè)堤壩的33%,由于此區(qū)域的受力較小,可認(rèn)為X 方向的受力不會(huì)對堤壩安全造成隱患。隨著堤壩深度的增加,X 方向所受應(yīng)力逐漸增大,最大數(shù)值為590.5 kPa,超過400 kPa 的巖土體僅占整個(gè)堤壩的3%,由此數(shù)值可知,堤壩并未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。以上數(shù)據(jù)均不超過巖土體的極限受力,從X 方向所受應(yīng)力分析可知,堤壩X 方向的受力是滿足工程要求的。

如圖2（b）所示,堤壩Y 方向所受應(yīng)力表層數(shù)值范圍主要為9.4 kPa~40.9 kPa,此區(qū)域約占整個(gè)堤壩的27%,由于此區(qū)域的受力較小,可認(rèn)為Y 方向的受力不會(huì)對堤壩安全造成隱患。隨著堤壩深度的增加,Y 方向所受應(yīng)力逐漸增大,最大數(shù)值為540.5 kPa,超過400 kPa 的巖土體僅占整個(gè)堤壩的2%,由此數(shù)值可知,堤壩并未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。以上數(shù)據(jù)均不超過巖土體的極限受力,從Y 方向所受應(yīng)力分析可知,堤壩Y 方向的受力是滿足工程要求的。

如圖2（c）所示,堤壩Z 方向所受應(yīng)力表層數(shù)值范圍主要為61.4 kPa~98.4 kPa,此區(qū)域約占整個(gè)堤壩的28%,由于此區(qū)域的受力較小,可認(rèn)為Z 方向的受力不會(huì)對堤壩安全造成隱患。隨著堤壩深度的增加,Z 方向所受應(yīng)力逐漸增大,最大數(shù)值為1110.5 kPa,超過900 kPa 的巖土體僅占整個(gè)堤壩的3%,由此數(shù)值可知,堤壩并未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。以上數(shù)據(jù)均不超過巖土體的極限受力,從Z 方向所受應(yīng)力分析可知,堤壩Z 方向的受力是滿足工程要求的。

由圖2 可知,堤壩所受Z 方向的應(yīng)力最大,但是最大值依然不超過材料的極限應(yīng)力值；堤壩的受力沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；由以上可知堤壩的建設(shè)是滿足工程要求的。

3.4 基坑開挖后受力

基坑開挖后錨桿和圍護(hù)樁所受應(yīng)力見圖3。

圖3 壩體滲流影響

由圖3（a）可知,心形墻及反濾層的等效應(yīng)變范圍為4.9×10-4~1.1×10-3,隨著深度的增加,應(yīng)變逐漸減小,最小應(yīng)變?yōu)?.8×10-7,此區(qū)域位于基巖處,應(yīng)變的變化規(guī)律與應(yīng)力的變化規(guī)律相反,因?yàn)槿魬?yīng)力增大,那么應(yīng)變必然變小,此變化規(guī)律符合巖土體的應(yīng)力應(yīng)變的規(guī)律。

由圖3（b）可知,堤壩的塑性破壞區(qū)主要集中于堤壩右側(cè)區(qū)域,且塑性破壞區(qū)約占整個(gè)堤壩的2%,說明堤壩大部分巖土的變形處于彈性變化階段,不會(huì)對堤壩的安全造成不良影響。

由圖3（c）可知,堤壩的滲流方向從左側(cè)開始,一直流向右側(cè)。最大滲流速度為2.0×10-3m/h,右側(cè)最大滲流速度為8.2×10-4m/h,以上的滲流速度和方向與工程實(shí)際相符。

由圖3（d）可知,浸潤線位于堤壩頂部以下8 m~22 m,由此可知,堤壩防護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域在浸潤線附近及其以下區(qū)域,若后期需對堤壩進(jìn)行位移監(jiān)測,浸潤線區(qū)域是監(jiān)測的重點(diǎn)。

由圖3 可知,堤壩的等效應(yīng)變控制在合理范圍內(nèi),滲流速度和滲流方向與工程實(shí)際相符,浸潤面區(qū)域是堤壩后期監(jiān)測的重點(diǎn)。

由圖4（a）可知,堤壩最大水平位移為13 mm,主要集中于堤壩頂部,超過8 mm 區(qū)域的巖土體約占整個(gè)堤壩的12%,說明位移分布較為合理。堤壩最大豎向位移（圖4（b））,同樣分布于堤壩頂部,最大值為6 mm；堤壩的總位移最大值為18 mm,由堤壩的最大水平位移和豎向位移數(shù)值可知,堤壩的總位移主要由最大水平位移產(chǎn)生。因堤壩的位移均不超過20 mm（堤壩位移安全值）,可認(rèn)為堤壩的建設(shè)是滿足工程要求的。

圖4 壩體位移

4 結(jié)論

本文結(jié)合MIDAS GTS 軟件,對堤壩的滲流、位移和受力進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明：

（1）堤壩所受Z 方向的應(yīng)力最大,但是最大值不超過堤壩材料的極限應(yīng)力值；堤壩的受力沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,由以上受力可知堤壩的建設(shè)是滿足工程要求的。

（2）堤壩的等效應(yīng)變控制在合理范圍內(nèi),滲流速度和滲流方向與工程實(shí)際相符,浸潤面區(qū)域是堤壩后期監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域。

（3）堤壩的最大水平位移和豎向位移數(shù)值可知,堤壩的總位移主要由最大水平位移產(chǎn)生。堤壩的位移均不超過20 mm（堤壩位移允許值）,可認(rèn)為堤壩的建設(shè)是滿足工程要求的。