ANSYS在土石壩防滲加固分析中的應用

ANSYS在土石壩防滲加固分析中的應用摘要：為了評價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、滲流流量的變化。計算結果表明ANSYS熱分析能準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，加強壩體穩(wěn)定性，該防滲加固方法可廣泛推廣應用。關鍵詞：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在近幾年得到了較大范圍的應用，但對其防滲效果工程界還無準確的定論。本文運用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的推廣提供一定的理論依據。2ANSYS分析滲流原理滲流本是復雜的三維應力場問題，但考慮到壩身長度遠大于壩寬，可將其簡化為二維問題加以研究。假設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。而熱力學二維微分控制方程為：式中： 、分別為 、方向的熱傳導系數(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是熱力場的一種特殊情況，通過 ANSYS熱力學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防滲效果，選取某水庫經多頭小直徑深攪樁防滲墻技術防滲后的典型斷面CS01進行分析。壩基土層分布如下： ①層為粉質黏土，主要是人工填筑而成。由于多次加高，碾壓不實滲透嚴重；②層為粉質黏土，塑性較好，層內發(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層為粉質黏土夾粉土；④層為粉質黏土，其下部為完整基巖，可視作不透水層。通過ANSYS 的APDL命令輸入各關鍵點坐標， 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，通過獨立土層單獨劃分網格并對可能逸出點所在位置附近進行網格局部加密。 防滲加固前建立了 2009個節(jié)點、3737個單元，加固后建立了 2026個節(jié)點3771個單元。加固前后的有限元網格劃分見圖 1：3.2滲流系數(shù)反演由于該水庫修建時間較早，隨著時間的推移，地質條件等均會發(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)則存在失真的風險。所以，需要根據實測資料與有限元計算結果對滲流系數(shù)進行參數(shù)反演。本文選擇運行常水位（ +14.95m）進行有限元計算。通過反復調整滲流系數(shù)，得到與實測結果吻合較好的結果如表所示：表1觀測值與計算值誤差分析由上表可以看出， ANSYS計算結果很好的吻合了現(xiàn)場實測結果，這說明 ANSYS能準確得模擬大壩滲流。防滲效果預測分析4.1滲流有限元計算根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》 （SL274-2001）的規(guī)定，結合二圣橋水庫的具體現(xiàn)狀，滲流分析計算按設計及校核兩種水位組合情況進行計算分析。1）設計洪水位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)取反演結果值。圖2為設計洪水位時，防滲加固后壓力水頭云圖，壓力水頭為零的所有點的集合組成浸潤線，浸潤線與下游交點即為逸出點。其他工況的計算結果見表 2：4.2防滲加固效果評價從計算結果可以看出，經過多頭小直徑防滲墻加固后的二圣橋水庫土石壩設計洪水位時，防滲后逸出點降低了1.16m，滲流量相對減少了 38.47%；校核洪水位時，防滲后逸出點降低了 1.32m，滲流量減相對減少 38.38%。結論與建議根據以上分析，我們可以得到如下結論：（1）ANSYS熱力學模塊應用于大壩滲流計算不僅能夠準確得模擬滲流場形態(tài)， 而且其參數(shù)化語言 APDL可實現(xiàn)編程化操作，大大簡化了滲流場模擬的難度。2）經過加固后的大壩滲流逸出點得以降低，滲流量大大減少，大壩穩(wěn)定性得以加強，多頭小直徑深攪防滲墻加固效果良好。參考文獻張媛媛.ANSYS在土壩滲流場和應力場及其耦