基于ABAQUS的某土石坝应力应变计算分析

邓春秀 黄鑫

【摘  要】随着土体本构模型理论进步和施工技术的提高，我国水利工程事业的迅速发展，修建了大量的土石坝，故研究土石坝的变形具有重要的工程意义。论文通过ABAQUS进行二次开发，采用Duncan E-B模型模拟某土石坝，得出蓄水期坝体的最小主应力为0.555MPa，最大主应力为1.636MPa，上游最大水平位移为14.85cm，下游最大水平位移为32.07cm，符合坝体的变形规律，表明本次计算分析是合理可行的。

【Abstract】With the improvement of soil constitutive model theory and construction technology， a large number of earth-rock dam have been built with the rapid development of water conservancy engineering in China， so it is of great engineering significance to study the deformation of earth-rock dam. In this paper， ABAQUS was used for secondary development， and Duncan E-B model was used to simulate an earth-rock dam. It was obtained that the minimum principal stress of the dam during the storage period was 0.555MPa， the maximum principal stress was 1.636MPa， the maximum horizontal displacement of the upstream was 14.85cm， and the maximum horizontal displacement of the downstream was 32.07cm， which was in line with the deformation law of the dam， indicating that the calculation analysis was reasonable and feasible.

【关键词】Duncan E-B;ABAQUS;土石坝;应力应变

【Keywords】Duncan E-B; ABAQUS; earth-rock dam; stress and strain

【中图分类号】TV314                               【文獻标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）08-0195-02

1 引言

改革开放以来，我国土石坝的发展如雨后春笋，土石坝施工已经从坝高200m级向300m级跨越。随着邓肯张模型、南水双屈服面模型、沈珠江模型等土体本构模型的研究深入和有限元仿真软件（如ABAQUS、ANSYS、ANDIA）的开发，为土石坝的建造创造了坚实的理论基础[1]。近些年，国内学者针对土石坝的开展了大量的研究：陈平川等[2]研究了坝体优化设计与渗流分析，刘倬昀等[3]土石坝的坝料分区优化进行了研究，赵通阳[4]分析了垫层厚度对混凝土面板的影响，顾淦臣等[5]对面板堆石坝的堆石本构模型与应力变形进行了研究，丁琳琳[6]对深埋覆层上土石坝进行分析研究，廖敏[7]对堆石坝的材料分区进行了研究。以上研究大都均是采用有限元软件对土石坝的应力应变进行分析，取得了较好的研究成果，具有重要的实践意义。本文基于以上研究，采用ABAQUS软件采用Duncan E-B模型对某土石坝进行应力应变分析。

2 理论公式

土石坝坝壳料具有非线性，需要与之适应的本构模型进行模拟。例如，Duncan E-模型、Duncan E-B模型、清华K-G模型，南水双曲线模型等均能良好的模拟坝体变形，目前应用最多的是Duncan E-B模型[8]，故本文二次开发Duncan E-B模型，对某土石坝进行模拟。Duncan E-B模型是在E-v模型进行了一定的完善，E-v模型中的切线泊松比vt被切线体模量Bt代替并进行计算，表达式如下：

3 应力应变分析

本文选取廖敏和赵通阳案例中计算的均质堆石坝进行模拟，模拟过程中坝体采用分级填筑。堆石坝的最大坝高100m，坝宽8m，正常水深假设为90m，上游和下游坡角为30°，堆石料的密度为2000Kg/m3，坝体横断面可参考文献，本文不再赘述，坝体材料计算参数如表1所示。

采用生死单元进行模拟，坝体分10级填筑，每级10m，共11个分析步，在第11个分析步加载静水压力。分析中采用网格单元类型为C3D8。最后提交作业，选择Duncan E-B模型提交计算，完成坝体蓄水期的有限元模拟，得到坝体的应力应变图，计算结果与参考文献的模拟数据对比如表2所示。

由表2的计算结果可知，坝体的最大主应力、最小主应力、水平位移、沉降量与参考文献计算结果接近，表明本次计算结果是可行的。出现数据的偏差是由abaqus中网格划分差异、Duncan E-B模型子程序差异所造成的。

3.1 应力分析

ABAQUS软件输出结果ODB文件应力云图默认拉伸为正，压缩为负。最小主应力对应岩土工程中最大主应力，最大主应力对应岩土工程中最小主应力。由图1和图2可知，坝体最小主应力为0.555MPa，坝体最大主应力为1.636MPa位于坝体的底部，整个坝体应力等直线云图分布较规律，离坝底距离越远，应力值越小，到达坝顶、下游坝坡接近于0。在坝体上游由于静水压力的作用，使应力等直线向上抬，相对施工期压应力增大，符合实际工程中的变化规律。

3.2 应变分析

由图3可知，坝体的最大沉降量为91.66cm，占坝高的0.966%，符合坝体变形规律，是合理的。沉降量位置在于坝体的1/2～2/3处，是由于坝体分级填筑，边填筑边沉降的缘故。由图4可知，坝体上游水平位移为14.85cm，下游水平位移为32.07cm，位于坝高的1/2处。下游水平位移大于上游，是由于在静水压力的作用下，整个坝体有向右移动的趋势。

4 工程管理

土石坝施工中要严格控制施工流程、碾压材料参数及建设管理，侧重于事前控制、事中控制、事后控制。虽然理论研究和施工技术上土石坝坝体稳定无懈可击，实际工程中土石坝失事最多。一是要加强工程建设管理，项目法人要督促参加各方切实履行职能职责;二是规范施工、合理施工，施工过程中严格控制坝体的压实度、含水率等指标，规范设计变更，提升主体工程建设质量;三是加强质量监督，督促质量制度、质量体系落实到位，并严格按照施工单位自检、监理单位平行檢测、第三方检测，确保工程质量安全。

5 结论

本文通过ABAQUS软件进行二次开发Duncan E-B模型子程序计算某土石坝的应力应变分析得出以下结论：①采用ABAQUS软件二次开发Duncan E-B模型模拟坝体应力应变与参考文献相符合，是可行的;②蓄水期坝体的最小主应力为0.555MPa，坝体最大主应力为1.636MPa，坝体上游水平位移为14.85cm，下游水平位移为32.07cm，符合坝体的变形规律。

【参考文献】

【1】田丛秋.水利工程建设中土石坝技术的应用[J].民营科技，2014（2）：127.

【2】陈平川，荀小伟.粘土心墙土石坝坝体结构设计及渗流稳定分析[J].小水电，2020（1）：34-36.

【3】刘倬昀.土石坝坝料分区优化研究[J].水力发电，2014，40（12）：35-37.

【4】赵通阳.基于ABAQUS的混凝土面板堆石坝三维应力应变分析[D].郑州：郑州大学，2010.

【5】顾淦臣，黄金明.混凝土面板堆石坝的堆石本构模型与应力变形分析[J].水力发电学报，1991（1）：12-14.

【6】丁琳琳.基于ABAQUS的深覆盖层面板堆石坝动力反应分析[D].郑州：郑州大学，2014.

【7】廖敏.混凝土面板堆石坝坝体材料分区影响研究[D].昆明：昆明理工大学大学，2017.

【8】费康.ABAQUS岩土工程实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2017.