1、李 忆 1 1、背景介绍 土石坝稳定性分析是土石坝设计阶段的重 要内容，是确定坝体尺寸、坡面角度和评 价坝体安全的重要依据。土石坝坝坡稳定 性可采用安全系数来进行评价，其可靠程 度及准确性对大坝的经济性和安全性具有 重要影响。 2 早在上世纪70年代，英国科学家Zienkiewicz就提出了通过增加外荷载或降低 岩土强度来计算岩土工程安全系数的方法，可以看作是岩土工程极限分析有 限元法的雏形。近些年来，随着国内外的众多学者不断的深入探讨和研究， 发现强度折减法能充分利用有限元法的突出优势，并有效克服其他传统方法 的不足。 强度折减法认为边坡处于临界失稳状态时与其相应的折减系数就是稳定性安 全系
2、数。其优点在于不需要在计算前进行条分并假定滑动面的位置。虽然与 极限平衡法所得到的结果可能是相同的。但是，强度折减法在稳定性分析方 面明显有更好的科学性、先进性和适用性。 因此，本文选用基于ABAQUS计算软件下 的强度折减法对土石坝在设计洪水位作用下 的应力、位移及稳定性进行了分析。 3 2、计算原理 2.1 有限元强度折减法基本原理 对于强度折减法，主要是将边坡岩土 体的抗剪切强度参数置于理想弹塑性有限元 核算中，使得其逐渐进行降低，直到抵达破 坏状态。这种破坏状态通常采用非线性程序 ，考察其收敛、位移变化等情况，以此判定 边坡失稳现象。 4 5 6 2、计算原理 2.2 屈服准则和流动法
3、则 本文计算采用的是理想弹塑性模型。 7 因为本文在用折减系数法求解边坡 稳定问题时，采用的是理想弹塑性模 型，所以在这里选择MohrCoulomb 屈服准则较为可靠。 8 9 2、计算原理 2.3 有限元中边坡失稳的判据 边坡在产生一定的破坏时，都将会有 很大的位移量改变，这时的边坡将由相对稳 定的状态转变到不稳定（即运动状态），边 坡的位移变形量与塑性变形量由常量变为一 个变量，有限元模拟软件的计算迭代法就是 计算出边坡整体的力学平衡，当整个计算过 程中找到一个合适的值就会满足条件。 10 采用有限元强度折减法分析边坡稳定性的一个关键问题，是如何根据有限元 计算结果来判别边坡是否处于破坏状
4、态。 目前的失稳判据主要有两类：第一类在采用有限元数值模拟软件进行边坡稳 定性计算时，将计算过程中边坡总体的位移或者整体应力参数折减后的不收 敛状态作为所研究边坡的整体失稳标志；第二类主要以宏观意义上的塑性应 变（通常是指模拟后处理中的有效应变量以及等效应变量）在从研究边坡的 顶部至边坡的坡脚处形成一定的贯通变形作为整个边坡失稳的另一个判别标 志。 11 3、工程概况及数值模型 3.1 土石坝模型介绍 12 本次模型中土石坝体采用均质体，运用Mohr-Coulomb弹塑性。采用ABAQUS 有限元计算软件, 选取土石坝部位最大横断面作为计算的典型剖面，进行二 维非线性有限元分析。坝基模型的左右
5、边界均采用水平约束，底面采用水平 和竖向约束。 模型中的荷载包括土石坝体的自重以及设计洪水位46米及下游水位3米的渗 透压力。 首先对整体模型进行地应力平衡，然后施加渗透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。 13 3、工程概况及数值模型 3.2 强度折减法的运用 14 4、计算成果与分析 4.1 应力分析 由于ABAQUS中应力以拉为正（这与土力学的 规定恰好相反），ABAQUS中的小主应力对应于岩土 工程中的大主应力。在设计洪水作用以及强度折减作 用下土石坝的屈服应力、小主应力等值线云图如图4 和图5所示。由图可看出坝体屈服应力和小主应力有 较好的分布规律，
6、屈服应力值随坝体断面高程增加而 减小，中间区域应力较为集中，而小主应力值随坝体 断面高程增加而增大。坝体屈服应力的最大值为 319Kpa,坝体小主应力的最大值为9.273Kpa。 15 4、计算成果与分析 4.2 位移分析 下图6(a)、6(b)和图7(a)、7(b) 分别为土石坝在自重、渗透压力共同 作用下的正常和强度折减下的水平位 移云图和矢量图。位移符号规定：位 移向下为正； 单位：米。 16 由图6(a)、6(b)可知，大坝在自重和 渗透压力作用下，坝体的水平位移呈 大致对称分布，各自指向坡外方向； 坝体上游洪水位斜坡水平位移明显大 于坝体下游位移。这是由于上游面坝 体的水位高于下游面
7、坝体，上游坝体 的渗透力明显大于下游的。因此在实 际工程中因控制土石坝体所能承受的 水位。一旦出现高水位情况，应及时 采取相应工程措施（排水）来保护土 石坝的稳定。 17 由图7(a)、7(b)可知，当土坡强度减 小时，本身上游高水位的渗透力大， 从而导致高水位下的坝体面将出现很 大的位移，由中间局部区域扩展到坡 脚，从而导致土坡失稳。故在工程实 际中应避免土坡强度衰减。在衰减的 同时，右侧低水位坡面的位移也有减 小的趋势。 18 由图8可知，在洪水位下， 土石坝强度衰减，失稳破坏 程度相当剧烈，坝顶宽度直 接下沉，左侧坝体形成贯穿 面，直接导致坝体被破坏。 19 4、计算成果与分析 4.3 稳定性分析 为了方便分析计算，本文在此采 用第二类判据，即将潜在滑移面塑性区 贯通作为土石坝在设计洪水作用下的安 全稳定系数。 20 21 5、结论 22 23
