复杂料源堤防工程稳定性的有限元模拟

复杂料源堤防工程稳定性的有限元模拟

吴康福   段赛辉   郭佳

中国水利水电第九工程局有限公司一公司  贵州 贵阳  550008

摘要：把复杂料源配比作为研究重点，以大坝和堤防工程等防洪系统的防洪减灾为背景，以静水压力为工况，综合运用水文学、水动力学、泥沙侵蚀、输运理论和有限元模拟建立了在多种特定条件下，描述复杂料源堤防工程在水压力作用下的模型，探讨研究复杂料源堤防工程的优势。研究成果将增强对复杂料源堤防面对不同工况的服役状态描述、解释、预测和调控能力，可为流域防洪规划和洪水调度提供理论基础和分析手段。

关键词：堤防工程；有限元模拟

1 概述

堤防工程为河流流经区域内重要的防洪设施，本次灞河全域治水项目涉及灞河峪口至白马河段、西商高速至灞蓝交界段及辋川河峪口段，河道治理总长度39.64km乃是当地大型控制性水利枢纽工程。堤防工程沿河修建，该堤防工程所用材料为黏土与砂壤土料，层次性显著，堆筑厚度不高，密实性较差。由于土体属中等渗透性土，含水量亦较高，防渗性较差，工程安全稳定性受到较大挑战，故有必要对该堤防工程采取防渗加固、加高加宽坡顶等工程措施。钻孔资料表明，基岩层分别包括有泥质粉砂岩、灰岩与白云岩，有一些地段内基岩层为灰岩，块状构造，强度与完整性较高。但有一些地段内包括有泥质粉砂岩，部分夹层内有砂砾石碎屑，内充填材料含碳酸岩，连通性中等，对堤防地基防渗性是较大考验。综上所述地质分析，研究区段内堤防工程防渗性能受透水性强材料威胁，原堤防材料在水－力作用下可能会造成渗透失稳破坏，影响堤防地基承载能力，故而考虑对堤防工程换填复杂料源，强化堤防渗流稳定性。

2 模型建立

针对该堤防工程稳定性，采用复杂料源施工措施，满足堤防稳定性与静力稳定性要求。取部分区段作为有限元分析计算模型，建立底部宽度220m，顶部宽度20m，高度50m的模型计算分析应力变形特征。

利用 Abaqus 数值软件按照选取区段剖面图建立数值模型，简化相邻岩土层，采用耦合特性的六面体C3D10P微单元体，实现与堤防工程实际状态相一致，并特别对防渗墙研究体单元网格加密，精度提高，整体模型，见图1。模型中的材料属性杨氏模量选规则2000000，泊松比选择0.35，最大干密度2.25g/cm³与边界约束条件一起输入数值软件中。

图1 创建模型

3 应力特性

图2 应力特性

根据图2应力分布云图，从各个方向应力特征来看。堤防最大拉、压应力分别为687Pa和0.975MPa。从堤防应力云图可看出，蓄水期迎水侧拉、压应力均显著增长，并出现有受拉区与受压区。综上应力分析可知，复杂料源对堤防渗漏性可极大抑制，因此，堤防工程应挑选合适的复杂料源配合比，缓和较强拉压应力。

4 变形特征

图3为防渗墙竖向位移(沉降)与高程关系图。从图3中可看出，堤防竖向位移整体均随防渗墙高度增加而逐渐增大，最大沉降量均位于墙顶部，达1.15mm，底部沉降位移最小，达到0.31mm。堤防工程在蓄水后堤防顶面临较大的水头压力，造成渗流场与应力场多重冲击下，沉降位移故而亦是最大。

图3 堤防竖向沉降和高程关系图

图4为复杂料源堤防工程水平方向位移与堤防高程关系，最大水平位移出现在墙中部，墙底部与顶部水平位移较低，模拟计算时已假定防渗墙为刚性结构水平位移约束较强，无自由度变形。模拟计算出最大水平位移均出现在高程30m处，达到0.52mm。

图4 堤防横向位移和高程关系图

根据前述应力变化特征计算分析，且结合位移特征，可认为最优配合比为土：砂5.5:4.5，即对应的最大干密度和最优含水率为：2.25g/cm³，8.6%时，乃为最佳设计方案，因而给出该方案下堤防应力分布特征图1-3。从图1中可看出，堤坝X向上拉应力存在于左、右坝顶区域，分布范围较小，最大拉应力仅为687Pa；Y向拉应力分布于心墙体中部区域；坝体Z向均为压应力分布。3个方向中坝身主要区域均为压应力分布，且以坝顶压应力为最小，沿坝顶至坝基分块式递增。整体应力分布而言，3个方向上拉、压应力分布均处于安全合理状态，对堤防长期安全稳定运营无危害性影响，因而配合比为土：砂5.5:4.5，即对应的最大干密度和最优含水率为：2.25g/cm³，8.6%时的设计方案乃是科学合理的。

5 结语

针对复杂料源堤防工程，基于Abaqus建立堤防工程防渗加固结构模型，分析应力场特征，得到以下结论：随堆筑荷载增加与蓄水位增大，渗透系数逐渐降低，压应力区集中在迎水接触面，墙体高程35m处;蓄水期拉、压应力增大,最大拉、压应力分别为687Pa和0.975MPa。

复杂料源堤防竖向沉降、水平位移与墙高程关系显示，竖向沉降随墙高度增加而增大，最大沉降位于墙顶部，达1.15mm，施工期最大水平位移出现在墙中部，最大水平位移达0.52mm墙底部与顶部水平位移较低，接近零。

参考文献：

[1]郝伟，樊恒辉，党进谦.加宽堤防渗流与变形特征数值分析[J].中国农村水利水电，2018(12):149-155+160.