ANSYS在土石壩防滲加固分析中的應(yīng)用

ANSYS在土石壩防滲加固分析中的應(yīng)用摘要：為了評價(jià)多頭小直徑深攪樁防滲墻的防滲效果，通過有限元軟件ANSYS熱分析模塊APDL參數(shù)化語言結(jié)合反演分析理論，分析了大壩加固前后的滲流特性，對比其浸潤面、逸出點(diǎn)、滲流流量的變化。計(jì)算結(jié)果表明ANSYS熱分析能準(zhǔn)確得模擬大壩滲流狀態(tài)，多頭小直徑深攪防滲墻能有效降低大壩滲流量，加強(qiáng)壩體穩(wěn)定性，該防滲加固方法可廣泛推廣應(yīng)用。關(guān)鍵詞：多頭小直徑；深攪樁防滲墻；防滲加固；APDL；反演分析引言多頭小直徑深攪樁防滲墻技術(shù)在近幾年得到了較大范圍的應(yīng)用，但對其防滲效果工程界還無準(zhǔn)確的定論。本文運(yùn)用ANSYS熱分析模塊，分析某土石壩防滲前后滲流量的變化，為多頭小直徑深攪樁防滲墻技術(shù)的推廣提供一定的理論依據(jù)。2ANSYS分析滲流原理滲流本是復(fù)雜的三維應(yīng)力場問題，但考慮到壩身長度遠(yuǎn)大于壩寬，可將其簡化為二維問題加以研究。假設(shè)壩體每層土體為各向同性并不可壓縮，在穩(wěn)定流作用下，滲流控制方程為：式中： 、分別為 、方向的滲流系數(shù)； 為水頭。而熱力學(xué)二維微分控制方程為：式中： 、分別為 、方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)； T為溫度。由（1）式和（2）式可以看出，滲流場和熱力場的控制方程相同。同樣，在邊界條件、坡降、流量計(jì)算等方面兩者也具有高度的一致性。由此，不難看出滲流場其實(shí)是熱力場的一種特殊情況，通過 ANSYS熱力學(xué)模塊仿真模擬大壩滲流是合理的。有限元模型建立及滲流系數(shù)反演3.1有限元模型建立為了分析多頭小直徑深攪樁防滲墻技術(shù)防滲效果，選取某水庫經(jīng)多頭小直徑深攪樁防滲墻技術(shù)防滲后的典型斷面CS01進(jìn)行分析。壩基土層分布如下： ①層為粉質(zhì)黏土，主要是人工填筑而成。由于多次加高，碾壓不實(shí)滲透嚴(yán)重；②層為粉質(zhì)黏土，塑性較好，層內(nèi)發(fā)現(xiàn)多處小孔，粉性局部略大。上述兩層為滲流發(fā)生主要區(qū)域；③層為粉質(zhì)黏土夾粉土；④層為粉質(zhì)黏土，其下部為完整基巖，可視作不透水層。通過ANSYS 的APDL命令輸入各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)， 然后分別創(chuàng)建線和面建立大壩平面模型。采用 PLANE55三角形單元，通過獨(dú)立土層單獨(dú)劃分網(wǎng)格并對可能逸出點(diǎn)所在位置附近進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。 防滲加固前建立了 2009個(gè)節(jié)點(diǎn)、3737個(gè)單元，加固后建立了 2026個(gè)節(jié)點(diǎn)3771個(gè)單元。加固前后的有限元網(wǎng)格劃分見圖 1：3.2滲流系數(shù)反演由于該水庫修建時(shí)間較早，隨著時(shí)間的推移，地質(zhì)條件等均會(huì)發(fā)生一定的變化，如果依然采取原有勘察資料所確定的滲流系數(shù)則存在失真的風(fēng)險(xiǎn)。所以，需要根據(jù)實(shí)測資料與有限元計(jì)算結(jié)果對滲流系數(shù)進(jìn)行參數(shù)反演。本文選擇運(yùn)行常水位（ +14.95m）進(jìn)行有限元計(jì)算。通過反復(fù)調(diào)整滲流系數(shù)，得到與實(shí)測結(jié)果吻合較好的結(jié)果如表所示：表1觀測值與計(jì)算值誤差分析由上表可以看出， ANSYS計(jì)算結(jié)果很好的吻合了現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，這說明 ANSYS能準(zhǔn)確得模擬大壩滲流。防滲效果預(yù)測分析4.1滲流有限元計(jì)算根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》 （SL274-2001）的規(guī)定，結(jié)合二圣橋水庫的具體現(xiàn)狀，滲流分析計(jì)算按設(shè)計(jì)及校核兩種水位組合情況進(jìn)行計(jì)算分析。1）設(shè)計(jì)洪水位17.58m，穩(wěn)定滲流，自由出滲；2）校核洪水位18.86m，穩(wěn)定滲流，自由出滲。滲流系數(shù)取反演結(jié)果值。圖2為設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，防滲加固后壓力水頭云圖，壓力水頭為零的所有點(diǎn)的集合組成浸潤線，浸潤線與下游交點(diǎn)即為逸出點(diǎn)。其他工況的計(jì)算結(jié)果見表 2：4.2防滲加固效果評價(jià)從計(jì)算結(jié)果可以看出，經(jīng)過多頭小直徑防滲墻加固后的二圣橋水庫土石壩設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，防滲后逸出點(diǎn)降低了1.16m，滲流量相對減少了 38.47%；校核洪水位時(shí)，防滲后逸出點(diǎn)降低了 1.32m，滲流量減相對減少 38.38%。結(jié)論與建議根據(jù)以上分析，我們可以得到如下結(jié)論：（1）ANSYS熱力學(xué)模塊應(yīng)用于大壩滲流計(jì)算不僅能夠準(zhǔn)確得模擬滲流場形態(tài)， 而且其參數(shù)化語言 APDL可實(shí)現(xiàn)編程化操作，大大簡化了滲流場模擬的難度。2）經(jīng)過加固后的大壩滲流逸出點(diǎn)得以降低，滲流量大大減少，大壩穩(wěn)定性得以加強(qiáng)，多頭小直徑深攪防滲墻加固效果良好。參考文獻(xiàn)張媛媛.ANSYS在土壩滲流場和應(yīng)力場及其耦