基于ANSYS的土石坝地基沉降数值模拟

丛日军

(凌源市水务局，辽宁 凌源 122500)

基于ANSYS的土石坝地基沉降数值模拟

丛日军

(凌源市水务局，辽宁 凌源 122500)

近年来，大型水枢纽工程的地段沉降数值模拟应用越来越广泛，其使用价值和理论意义在这些领域变得尤其突出。鉴于不同土坝段坝线长度、岩性、工程基质不同，坝体及地基易发生破坏，针对石坝段地基沉降问题，借助ANSYS软件进行有限元法三维建模计算。工程模拟结果显示：沉降量过大时，易发生危险且不满足设计使用要求，采用挤密砂桩地基处理方法加固地基较为有效。本文结果可为土石坝段地基加固提供参考。

土石坝；地段沉降；三维建模

基于ANSYS的土石坝工程地段沉降数值模拟在设计与施工中，对提高土石坝地基的质量和整个生命周期的相关维护设计有重要的实践价值和理论意义[1]。土石坝具有筑坝材料易得、技术成熟和便于施工等优点，但也有地质复杂多变、地段沉积预估困难和不确定性的缺点[2]。近年来相关研究成果不断涌现。陈玉茹[3]等在基于土石二维有限元分析了坝渗流和坝坡稳定，通过理论研究和数值模拟给出了土石坝加固方案。王其勇[4]等报道了土石坝的应力监测和变形监测，研究表明基于ABAQUS有限元模拟分析与监测结果进行比对能更好地反映土石坝的变形趋势。刘军[5]将面向对象的方法结合网络应用技术引入土木工程有限元数值分析领域，形成了一个集成的基于网络有限元系统框架。本文根据基于ANSYS法分析土石坝设计中关于坝基处理及技术标准模拟，运用有限元软件对土石坝段地基沉降进行仿真模拟，综合各方因素提出理论方案。

1 工程概况

1.1 水库概况

何家沟水库位于凌源市刀尔登镇南店村，属滦河水系青龙河上游二级支流，流域重心位于东经119°06′32″、北纬40 °40′57″。坝址以上河长1.61km，水库集雨面积1.90km2，河道平均比降59‰。水库正常蓄水位334.07m，相应库容13.57万m3；死水位327.45m，相应库容0.71万m3；设计洪水位335.13m，相应库容16.60万m3；校核洪水位335.96m，相应库容19.03万m3。大坝背水坡进行坝体培厚，原来三级坝坡坡比1∶1.1、1∶1.9、1∶2.0，除险加固时改为1∶2.25、1∶2.25、1∶2.5，采用碎石护坡型式，大坝填筑料为砂砾料，碾压相对密度不小于0.75，大坝土料压实度不小于0.96，在高程332.02m处修建宽为1.50m的戗台，戗台采用干砌石结构，修两道上坝台阶，台阶采用钢筋混凝土结构，设纵向排水沟两道，在高程324.42m处设棱体排水。

1.2 土石坝结构

根据坝体分区设计，结合土坝段的地质条件，按土坝起始桩号将土坝分为三段，分别为丘陵坝段、二级阶地坝段和一级阶地坝段[6〗。以北坝头为控制起点，桩号0-030～0+020段为原状山体，0+015～0+148段为丘陵坝段；0+148～1+150.3段为二级阶地坝段；2+150.3～2+274为一级阶地坝段。坝体填筑料为附近的土料及砂石料，进行了压缩试验(结果见右表)。

坝壳砂压缩试验结果表

2 基于ANSYS的地基沉降数值模拟方法研究

2.1 控制方程

有限元法的基本思路：土体虽然不同于其他弹性材料，但求解其应力应变的方法原理是相通的。先假设土体是弹性材料，用结点位移表示单元任意点的位移，矩阵表达式为

U=N{δ}ω

(1)

导出单位刚度矩阵，若考虑土体侧向变形，则需要转化为空间问题。假设土体单元是一个空间正方体，实际单元转换到母单元的坐标变换，用位移函数表示为

( i=1,2,3，…,8)

(2)

式中ξt，ηt，δt——结点在所在坐标系的局部位置。

2.2 前处理

何家沟工程土石坝丘陵段(桩号 0-030～0+138)，属于弱膨胀性土岩双层结构；二级阶地段(桩号 0+138～2+140.30)整体属于土岩双层结构，上覆构地层，厚度 12～17.7m；一级阶地段(桩号2+140.3～3+271)具河流相二元结构特征，总厚度12～15m，下部透水层厚度5～11m，整体性比较完整。由于 0+900～1+200坝段含有较大断层且跨越不同岩性地基，对坝体最大沉降及不均匀沉降都有较大影响，选定二级阶地段 0+900～1+200坝段作为特征坝段建立模型。坐标系采用笛卡儿直角坐标系，利用 CAD三维建模建立该坝段的三维图形，对地基进行三维切割。利用CAD与ANSYS之间的兼容性，此次模拟根据计算划分网格均采用solid45单元。solid45单元为3D8节点结构实体单元，该单元具有塑性、大变形及应力刚化等特性。

2.3 模型选取

采用Drucker-Prager屈服准则进行本构选取设计，既能保证计算的工作量不致过大又能满足计算精度，得到比较理想的结果。本文地基等效模型采用 DP 模型，在 DP 模型及相关地质资料基础上，根据坝体不同地基层、不同区域拥有不同的材料属性，本构关系构造准则在主应力空间中的屈服面为直立圆锥。

Drucker-Prager 屈服准则表达式为

(3)

I1=σx+σy+σz

(4)

(5)

式中α——材料常数，通过与土体的力学参数转化得到；

I1——应力张量的第一不变量；

J2——应力偏张量的第二不变量。

2.4 模型离散化

在划分网格之前，由于坝脚处坡比较小，运算将实体共节点，坝体与地基接触处不适合划分六面体单元，所以选择四面体单元自由划分，划分步长选为5，最终划分为56217个单元(见图1)。

图1 土石坝特征坝段地基沉降计算模型网格划分

3 结果分析

在地基底层底面施加全约束，在其余端面分别施加垂直该面的约束，在z轴正方向设置重力加速度。通过计算，利用ANSYS后处理功能，提取z轴方向位移云图及位移等值线图(见图2)。

图2 z轴方向位移云图

采用ANSYS软件计算，其结果往往相对保守，另外在选取土体参数时，参考范围值往往取上限，导致计算结果偏大。由沉降云图可看出，坝体及地基最大位移即最大沉降发生在软土断层上的心墙处，最大位移达到1.09m，为最危险位置，不满足设计要求；除此之外，沿坝轴线方向、垂直坝轴线方向均有不同程度的不均匀沉降，沉降差最大为0.21m；由沉降等值线图可以看出，垂直坝轴线方向等值线分布密集且较为均匀，说明垂直坝轴线方向不均匀沉降差较小且差值几乎相同，沿坝轴线方向等值线分布稀疏且不太均匀，说明沿坝轴线方向不均匀沉降差较大且差值跨度也较大，由坝顶到坝第一阶梯再到第二阶梯的沉降差依次为 0.212m、0.21m、0.12m。根据GB 50007—2011及工程经验可知，不均匀沉降差不大于发生不均匀沉降结构尺寸的5%，不均匀沉降也不满足设计要求。

4 地基处理

为防止解决饱和砂土地震问题，提高其抗液化能力，加之沉降量过大，需要减少地基沉降，由工程经验初步选择砂桩作为处理方案。在地基模型中加入桩体，桩体单元类型同取solid45，由于挤密砂桩本身仍是土体结构，本构模型也用DP模型，网格划分也选用4面体自由化分，共划分为41117个单元。由于桩体与坝体、地基之间的变形协调关系并不能用简单的共节点表示，因此在桩体与坝体、地基间用ANSYS 接触模拟设置接触摩擦。由于坝运行时，上下游均有水压力，渗流作用会造成坝体及地基含水，故加载时模拟上下游水压力，上游以正常蓄水位作为标准，同时在浸润线以下，取饱和重度计算(见图3)。

图3 z轴方向位移云图

由结果分析可得，用挤密砂桩处理地基使之形成复合地基后，最大沉降量为0.12m，小于坝高(21.60m)的1%(0.22m)，不均匀沉降最大差值仅为0.07m(对整个系统的影响可以忽略)，满足设计规范要求，故挤密砂桩地基处理方案是可行的。

5 结 语

土石坝段地基沉降数值模拟技术在水利工程领域的应用越来越广泛，本文对基于ANSYS分析土石坝地段沉积方法进行研究，证明该方法具有一定的参考价值，为以后地基沉降的计算，提供了不同的计算方法依据，开拓了实用工具，主要得出以下结论：利用本构关系模型可有效、简便解决非线性问题的计算，仿真结果直观具体、准确度高，可得出每处的沉降情况；按工程设计要求，通过有限元法建模模拟计算结果可知最大沉降量为1.09m，位置在断层软土地基处，不满足设计要求；地基沉降数值过大，无法满足工程需要，采取挤密砂桩法处理地基后，利用有限元法模拟得到的最大沉降量为0.124m，不均匀沉降最大差值仅为0.07m，满足设计规范。

[1] 李钦智.土石坝漫顶溃坝模拟分析计算[J].水利建设与管理,2016(9):33-35.

[2] 王海凌,达娃,王海霞.基于Ansys热分析模块的大坝渗流分析——以西藏满拉水利枢纽为例[J].西北水电,2015(1):77-80.

[3] 陈玉茹.基于土石坝渗流和坝坡稳定的二维有限元分析[J].浙江水利水电学院学报,2014(4):13-15.

[4] 王其勇,王义重,潘孝城,等.土石坝安全监测与有限元模拟[J].地震工程学报,2011(8):274-280.

[5] 刘军,刘汉龙,张正珺.爆炸荷载下土石坝动力响应特征的数值模拟[J].防灾减灾工程学报,2010(1):10-16.

[6] 杨洋,黄德强.土石坝低弹模塑性混凝土防渗墙应力变形分析[J].中国水能及电气化,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