ANSYS 在利民水库土石坝稳定分析中的应用

周文帅

（临邑县水利局，山东 临邑251500）

利民水库位于德州市临邑县，库容达946.3万m3，死蓄水位为13.5 m，有2 条支流王书干沟、三分干作为补充水源来源地，流经水库工程区共有河流堤防3.1 km 长度，按照“61 雨型”防洪、“64 雨型”除涝水位标准设计，堤身防渗系统设置有防渗墙等结构。土石坝顶高程23.25 m，坝体长度为4 204 m，上下游坝坡均为1∶3，坝顶修建有宽度为7 m 的人行通道。该土石坝体防渗结构采用0.6 m 厚的防渗墙与帷幕灌浆方式，其中防渗墙深度直达坝基，灌浆主要针对基岩上覆盖土层，抑制土体中渗流作用，下游侧坡面以生态植物作为固坡网格，上游侧以混凝土与土工格栅作为护坡结构。

1 稳定性分析

1.1 建模及参数

按照水库土石坝基本工程资料，利用ANSYS 数值软件，以SOLID65 与PLANE84 模型作为微单元体建立有限元模型，并简化部分对土石坝应力变形影响较弱的结构，以坝趾沿上游延伸长度25 m、下游测延伸32 m 作为计算范围。本次土石坝模型共划分出3 218 个单元，节点数10 314 个。

1.2 无蓄水期稳定性分析

本次堆筑共划分出6 层，限于篇幅，本文只列出典型位移计算结果云图，如图1 所示。

图1 典型分层堆筑施工位移云图

由计算结果可知，每层填筑完成后X 方向上最大应力值总出现在坝基，第一层填筑完成后坝基处出现最大拉应力值，为20.14 kPa，第二层堆筑至堆筑完成，X 方向上最大拉应力值增长了2～10 倍，最大拉应力值出现在堆筑完成层后，达463.81 kPa，相比坝体材料抗拉强度值，该值水平仍较低。从竖向应力分布来看，最大压应力主要分布在坝基底部，第一层堆筑时最大压应力为213 kPa，堆筑完成后，竖向最大压应力增长了83.8%，从图2 可看出，X 向应力增长与Y 向应力增长斜率具有相似性，在第四层堆筑后，前四层平均每层堆筑水平应力增长81.9%，而后两层堆筑完成，平均每层堆筑增长1.98 倍；相比来说，竖向应力亦是以第四层为中间增长分界点，前四层每层平均增长25.8%，后两层平均每层增长71.2%。由此表明，土石坝施工堆筑过程中，不论是X 向亦或是Y 向，应力分布与增长均有一定相近特性。

图2 各层堆筑X、Y 向应力变化曲线

从X 向与Y 向位移分布及量值特征来看，每层堆筑后X 向位移分布特征呈上游侧位移小，且小位移范围集中在上游侧坝踵处，下游侧位移值较大，最小位移范围与最大位移范围具有一定对称特性，但对称的区间位移量值是“相反”的，堆筑完成后X 向位移最大为26.7 mm。Y 方向上位移分布呈以坝顶中心线为对称线，两侧正对称分布，不仅分布形态一致，且位移量值亦是一致的，Y 向最大位移为堆筑完成后工况，达113 mm。规范要求竖向位移最大不可超过坝高的1%，而本文中施工堆筑完成后最大竖向位移占坝高的0.68%，故而该土石坝应力与变形特征参数均满足设计要求。

1.3 蓄水期稳定性分析

蓄水期包括三种蓄水工况:正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位，该三种水位工况下上、下游水位分别为230.0 m、218.7 m，231.0 m、218.7 m，232.0 m、218.7 m。

图3 为正常蓄水期X 向应力特征计算云图。各水位X 向拉应力依然分布在坝基最底部，且各水位最大拉应力值基本相近，为280～320 kPa，显著低于大坝材料抗拉强度值，故X 向拉应力处于安全状态。从Y 向应力分布来看，上游侧应力值显著高于下游侧，且以压应力为主，坝体Y 向受拉区较少，三种蓄水工况下Y 向最大压应力为392～397.4 kPa，表明蓄水期各工况中由于未考虑渗流作用影响，故而压应力产生依然是由土石坝体自重引起。

图3 正常蓄水期应力云图

从位移分布特征来看，三种蓄水工况中X 向位移值均向下游发展，即位移值均为正值，且随上游水位增大，X 向位移值愈大，其中洪水校核位最大X 向位移值为53.5 mm，相比前两种工况分别增长了24.1%、13.3%。相比施工期（无蓄水）状态下X 向位移具有一定对称分布特性，但在蓄水期下游侧位移显著较高，分析是由于蓄水期受到水压力作用，上游侧坝体坝趾会具有一定约束作用，导致向下游发展位移。Y 向位移中，各蓄水工况下均呈现沿坝趾至坝顶，竖向位移逐渐增大，设计洪水位下坝顶处最大位移为113.2 mm，分布特征呈现同一高程下，上游侧竖向位移显著高于下游侧，即竖向位移向上游侧发展，三种工况下最大竖向位移为115.2 mm，相比于施工期最大竖向位移增长了1.9%，占坝高的0.71%，仍处于规范安全设计区间值，故蓄水状态下应力变形值均达到设计要求。

2 结 论

1）研究了无蓄水期分层堆筑过程中X、Y 向应力中最大拉、压应力总分布在坝基处，且随堆筑层数增加逐渐增长，前四层平均每层堆筑X、Y向压应力分别增长81.9%、25.8%，后两层平均每层增长分别为1.98 倍、71.2%；X、Y 向位移呈对称分布，但X 向对称部分的位移量值相反，Y 向最大位移为113 mm，满足不超过坝高1%的设计要求。

2）分析了蓄水期三种工况下X 向最大拉应力为280～320 kPa，Y 向应力分布呈游侧高于下游侧，以受压区为主；蓄水期X 向位移均向下游发展，校核洪水位下位移最大，为53.5 mm，相比另两工况分别增长了24.1%、13.3%，竖向位移向上游侧发展，最大竖向位移为坝高的0.71%，达115.2 mm。