基于 ABAQUS 土石坝的应力、位移及稳定性分析

摘 要：随着计算机技术的发展和广泛应用， 各种数值分析方法开始应用到岩土工程中来， 其中有限单元法因为其对边界条件的适应性以及能很好的模拟各种土的本构关系， 使其在岩土工程计算中得到广泛的应用。本文选用基于 ABAQUS计算软件环境下的强度折减有限元法，进行土石坝在设计洪水位作用下的应力、位移及稳定性分析。

关键词：土石坝；ABAQUS；强度折减法；稳定性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.237

0 引言

有限元进行边坡稳定性分析受到关注。与传统方法相比，有限元法优势明显。本文选用基于 ABAQUS 计算软件环境下的强度折减法，进行土石坝在设计洪水位作用下的应力、位移及稳定性分析[1]。

1 算例分析

均质土石坝，坝顶高程50.0m，底高程0.0m，顶宽度 8.0m，上游坝坡 1：2.5，高程20.0m 處上游坝坡设有3m 宽马道，高程 25.0m处下游坝坡设有 2m 宽马道，下游坝坡 1：2.0。上游设计洪水位高程 46.0m，下游水位高程4.0m，下游排水棱体顶宽 3.0，顶高程 5.0m，底高程 0.0m，上游边坡 1：1.5，下游边坡1：1.5。

坝体材料如下表所示：

取土石坝部位最大横断面为典型剖面， 进行二维非线性有限元分析。网格单元类型为 CPE4。左右边界均采用水平约束，底面采用水平竖向约束。先对整体模型进行地应力平衡，然后施加静水压力分析坝体的应力及位移情况，最后分析在设计洪水作用下的坝体稳定性[2]。取河床部位最大横断面为计算的典型剖面，进行有限元分析。采用的Mohr-Coulomb 模型，摩擦系数取 0.3。

2 计算结果应力分析

ABAQUS 中以拉为正， ABAQUS 中的小主应力对应于岩土工程中的大主应力。 在设计洪水作用下土石坝的屈服应力、 小主应力等值线云图如下图 1和图 2。可见，坝体屈服应力及小主应力有较好的分布规律，主应力值随坝体断面高程增加而减小，坝体小主应力的最大值为 0.8545Mpa。

图 3、 图 4分别为土石坝在自重作用下的水平位移云图和静水压力作用下的水平位移云图。 位移符号规定：水平位移向下游为正， 单位为 m。 由图可知， 大坝在自重作用下， 坝体的水平位移呈大致对称分布，各自指向坡外方向； 在施加静水压力后坝体上游坡脚水平位移发生明显向下游倾斜情况， 最大位移为1.182m， 这是由于坝基密度较低， 在设计洪水位作用下容易发生大的位移。

3 结语

依托算例分析，考虑洪水时的约束关系，建立了相应的结构图仿真模型，并计算模拟典型洪水过程的水库水位变化曲线。结果表明：由于洪水历时短，上、下游坝坡的稳定系数变化趋势与水库水位基本一致。本文方法为洪水作用下的土石坝应力、位移及稳定性分析提供了新的途径。

参考文献：

[1]祁庆和.水工建筑物[M].北京：水利水电出版社，1992.

[2]费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

作者简介：刘强（1991-），男，湖北黄梅县人，研究生，研究方向：抗拔桩基础。