基于有限元模型对堤防土工栅格设计优化研究

2022-11-30陈诗阳

陕西水利 2022年12期

陈诗阳

（深圳市水务规划设计院股份有限公司,广东深圳 518001）

1 引言

堤防作为水利工程中重要的控流和防洪建筑物,设计时必须考虑其安全稳定性和渗流场的变化[1-2]。挡土墙作为一种防护结构,对防洪、防渗和加固有重要影响,因此对挡土墙进行结构设计优化,提高堤防运行安全水平具有重要意义。前人[3-4]采用ANSYS、ABAQUS 等数值模拟软件对挡土墙进行了静力场分析,评价了挡土墙的应力和位移特性,展现了数值模拟在结构设计的结构设计的技术优势。华中等[5]、刘波[6]认为水工设计不应仅研究静态稳定性,而应结合FLUENT、MIKE21 等渗流场模拟平台在文中以某水库堤防为基础,通过采集的数据与有限元模型FLAC 3D 进行结合,通过数值模拟和FLUENT 仿真平台对加筋格栅挡土墙优化设计进行了分析,为选择最优堤防挡土墙结构提供了参考。

2 工程设计模拟

2.1 工程概况

某水库工程堤防两侧岸坡路堤稳定性较差,地基土主要为软粘土,沉降变形量较大,严重威胁堤防工程的安全。因此,在设计时考虑使用加筋的形式来加固该岸坡。其设计形式见图1,使用土工格栅对挡墙进行加固,不同于其他挡土墙结构设计,格栅的设计需要与墙体契合,考虑墙体的受力、变形和渗流等因素,才可更大限度地发挥加筋挡土墙的防护作用。因此,本文重点从上述因素对格栅结构挡土墙的结构设计进行分析。

图1 加筋挡土墙模型

2.2 工程设计

使用FLAC 3D 平台如图2 所示的挡土墙。对堤防上下游15 m 范围的流场和静态稳定性进行模拟,将整个模型划分为121652 个节点单元和142685 个节点,岸坡岩层的物理力学参数和土壤渗透系数直接通过试验测得。挡墙扶壁设置为1.2 m,墙板厚度设置为1 m,土工格栅分层铺设,共设置六组不同的格栅层间距,从0 m（无格栅）开始,每隔0.2 m 设置一个,至1.2 m 层间距。探究不同格栅层间距挡墙的结构静态以及流场特性。

图2 挡墙有限元分割模型

图3 是挡土墙结构的面板、踵板和支墩等部位,无论挡土墙是否采用加筋设计,其结构安全性在模拟结果上均以挡土墙各重要部位的应力和位移特征图来体现。格栅布置示意图见图4,通过设置不同的格栅参数,观察模型X、Y、Z 方向上的位移和各部位应力状况。然后将几何模型导入FLUENT模型进行渗流场的模拟,分析渗流特征参数。

图3 挡墙结构示意图

图4 格栅布设示意图

3 结果分析

3.1 应力特征

通过改变格栅层间距,获得挡土墙各位置的拉应力变化与层间距的关系,见图5。由图中拉应力的变化可知,在不同层间距设计方案中,挡土墙结构的最大拉应力均出现在挡墙面板的迎水侧。从抗拉安全设计的角度来看,迎水侧面板最容易受到集中张拉应力的影响,在设计时应选用抗拉强度较高的材料,以满足抗拉要求。随着格栅层间距的增加,迎水侧面板、扶肋和顶板的最大拉应力均有不同程度的减小。分析表明,格栅层间距不宜过大也不宜过小,张拉应力的分散效果会随着间距的增加而变好,提高挡墙整体抗拉强度；但当间距过大会使格栅在挡墙内部的分布造成影响。当格栅层间距在0～0.8 m 之间时,迎水侧面板、扶肋和顶板的拉应力降幅平均为22.7%、25%、18.7%,当层间距超过0.8 m 后,三者拉应力的平均降幅为0.7%、1.2%和0.9%。通过观察挡墙不同位置拉应力的变化,初步得出格栅层间距的不宜超过0.8 m。而挡土墙踵底在所有方案中,拉应力均稳定在1 MPa,不同格栅层间距条件下拉应力的变化幅度不超过1%。综上,当格栅层距离为0.8 m 时,结构抗拉效果具有最显著的优势。

通过对挡墙重点部位进行静力场计算,得到了不同部位压应力与格栅层间距的变化关系,见图6。由图分析各部位的压应力变化,不同格栅层间距条件下,踵底板处的压应力均为最大,表明受压效果的最主要因素是结构的自重应力。各部位的最大压应力均随着格栅层间距的增加呈现先增大后减小的趋势,而所有部位最大压应力均出现在层间距为0.8 m的方案中。当层间距超过0.8 m 时,层间距每增加0.2 m,各部位的压应力呈下降趋势,通过以上图形趋势的分析,在进行格栅设计时不宜超过0.8 m,格栅层间距在0.8 m 时各部位受压强度达到最大,此时拉应力强度也较小,静态场稳定性最好。

图6 挡墙各部位最大压应力与格栅层间距的关系

3.2 位移特征

根据不同格栅层间距方案,得出了X、Y、Z 三个方向上随其变化的位移图,见图7。由位移图分析可以看出,在所有方案中,Z 方向位移最大,变化范围为7.9 mm～14.8 mm,这与挡土墙结构主要受到自重影响的结论[7]相吻合。随着格栅层间距的增加,所有方向的位移均呈先减小后增加的趋势,表明格栅层间距的变化影响结构的整体位移。当层间距数值在0～0.8 m 范围时,X、Y、Z 三个方向的位移均为减小的趋势,在层间距0.8 m 时,与0.2 m 和0.6 m 的方案相比,Y 方向位移减少了46.2%和14.9%；当层间距数值在0.8 m～1.2 m 范围时,X、Y、Z 三个方向位移均为增大的趋势,在层间距0.8 m 时,与1.0 m 和1.2 m 的方案相比,Y 方向位移平均增幅为60%和31.8%,X 方向和Z 方向位移变化情况与之类似。并且从三向位移与格栅层间距的关系来看,X 方向位移最为敏感。

图7 各向位移量与格栅层间距的关系

4 格栅层间距对堤防渗流影响

图8 为不同层间距方案下横截面速度的变化特征。流速对堤防区间断面渗流场的稳定有重要的影响,堤防的运行需要合理稳定的流速。从图中可以看出,在0.6 m 和0.8 m 的格栅层间距时,堤防横截面流速较为稳定,其余处理的流速波动较大。而且随着层间距的增大,流速也变快。层间距为0.2 m、0.4 m 时,流速的振幅较大,而层间距为1 m、1.2 m时,整个断面的流速波动较大,稳定性较差。容易出现局部紊乱、涡流等非稳定渗流现象。综合渗流场和静力场的模拟结果,认为当格栅层间距为0.8 m 时,挡土墙运行综合技术优势最大。