車南雪

(河北省子牙河務(wù)中心，河北 衡水 053000)

1 研究背景

水資源短缺和時(shí)空分布不均已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。為了解決這一問題，加大水利工程建設(shè)力度就成為重要的工程技術(shù)措施。顯然，在水利工程建設(shè)過程中，一般需要進(jìn)行大量的土石方開挖，并產(chǎn)生數(shù)量巨大的棄渣。棄渣場(chǎng)作為棄渣的集中堆放地就成為水利工程建設(shè)的重要配套設(shè)施，需要占用大量的土地資源[1]。棄渣場(chǎng)堆積體的坡度越大，其占地面積越小，就可以產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益[2]。當(dāng)然，棄渣一般是由比較松散的碎石和土體構(gòu)成，因此，棄渣堆積體的邊坡具有非飽和、欠密實(shí)和多孔隙的特點(diǎn)，穩(wěn)定性差，容易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，并產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響[3]。遼寧蒲石河抽水蓄能電站是我國(guó)東北地區(qū)興建的最大抽水蓄能電站，根據(jù)工程設(shè)計(jì)和施工場(chǎng)地特點(diǎn)，需要進(jìn)行數(shù)量巨大的土石方開挖。為了堆放施工棄渣，工程項(xiàng)目部在上水庫庫盆、下水庫庫盆、六道坎和泉眼溝等地方設(shè)置了四處渣場(chǎng)。其中，設(shè)計(jì)堆渣量最大的是六道坎渣場(chǎng)，預(yù)計(jì)其堆渣量將達(dá)到34.56萬m3，屬于大型渣場(chǎng)，研究堆渣體的穩(wěn)定性具有十分重要的意義[4]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為邊坡穩(wěn)定性研究的重要方法，得到了十分廣泛的應(yīng)用。顯然，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性會(huì)受到多種因素，特別是棄渣材料參數(shù)的影響。另一方面，對(duì)棄渣堆積體邊坡而言，沉降變形又是邊坡變形破壞的重要表征參數(shù)，對(duì)研究棄渣體邊坡的穩(wěn)定性具有重要意義[5]?；诖?，本研究以六道坎渣場(chǎng)棄渣堆積體邊坡為例，利用數(shù)值模擬的方法研究材料參數(shù)的變異性對(duì)堆渣體沉降變形影響，以期為相關(guān)研究和具體的工程設(shè)計(jì)提供一定的理論借鑒。

2 ABAQUS模型的構(gòu)建

2.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件，其解決問題的范圍由相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析逐步拓展到復(fù)雜的非線性問題領(lǐng)域。同時(shí)，該軟件還可以根據(jù)不同的模型參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，而不必重新進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建，對(duì)此次研究十分有利。因此，選擇ABAQUS軟件進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建。

根據(jù)工程渣土場(chǎng)的實(shí)際勘測(cè)資料，設(shè)置二維有限元計(jì)算模型的長(zhǎng)度為82.78 m，總坡高為45 m。對(duì)構(gòu)建的幾何模型采用CPE4P網(wǎng)格單元?jiǎng)澐諿6]，該單元為四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變四邊形單元，具有雙線性位移和雙線性孔壓，將各邊統(tǒng)一為步種，最終劃分為5827個(gè)計(jì)算單元，4464個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

圖1 有限元模型示意圖

在ABAQUS中提供了鄧肯模型、摩爾-庫倫模型等多種土體本構(gòu)模型，由于摩爾-庫倫模型能夠有效凸顯其抗剪強(qiáng)度的不同，更為貼近渣土材料的屈服特征，因此研究中選擇摩爾-庫倫模型[7]。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型和考慮計(jì)算的效率，僅考慮渣土材料的物理力學(xué)性質(zhì)，其容重為23 kN/m3，泊松比為0.28，黏聚力為22.2 MPa，內(nèi)摩擦角為27.1°，彈性模量為382 MPa。

2.2 邊界條件和計(jì)算荷載

結(jié)合工程的實(shí)際情況，對(duì)構(gòu)建的各個(gè)表面施加如下邊界條件：對(duì)模型的兩側(cè)施加水平位移約束；對(duì)模型的底部施加豎向和水平位移約束[8]。除了施加位移約束之外，在模型的各邊界還需要施加荷載，以準(zhǔn)確反映邊坡的初始應(yīng)力狀態(tài)。在荷載施加之后，需要對(duì)模型進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡。首先需要建立靜力分析步，將時(shí)間設(shè)置為10 h，然后在Load模塊中對(duì)分析區(qū)域施加10 kN的重力荷載，從而計(jì)算構(gòu)建的模型在重力作用下的應(yīng)力應(yīng)變情況，最終完成地應(yīng)力平衡。

2.3 計(jì)算方案

相關(guān)研究結(jié)果顯示，堆渣體邊坡的豎向位移變形是影響其穩(wěn)定性的重要表征量。因此，研究中利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)不同計(jì)算方案下的邊坡豎向位移量進(jìn)行模擬計(jì)算，以獲取模型參數(shù)變異系數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)合背景工程的實(shí)際情況以及模型參數(shù)的特點(diǎn)，研究中保持渣土體材料的容重和泊松比不變，選擇黏聚力、內(nèi)摩擦角以及彈性模量作為變異參數(shù)進(jìn)行研究。為了表示參數(shù)的變異性，對(duì)每種參數(shù)均設(shè)置了0.2、0.4、0.6、0.8和1.0等5個(gè)不同的變異系數(shù)，利用構(gòu)建的模型對(duì)不同變異系數(shù)下的邊坡豎向位移進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，探討參數(shù)變異性對(duì)豎向位移的影響。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 彈性模量

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同彈性模量變異系數(shù)下的堆渣體邊坡豎向位移進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取典型高程部位的豎向位移值計(jì)算結(jié)果，繪制出如圖2所示的不同彈性模量變異系數(shù)下的豎向位移變化曲線。由圖2可知，在不同的變異系數(shù)下，堆渣體邊坡下部的豎向位移值基本相同，說明材料參數(shù)的變異性對(duì)邊坡底部的豎向位移影響不大。究其原因，邊坡底部受巖石地基的約束作用較強(qiáng)，豎向位移的變化并不明顯。不同變異系數(shù)下沉降位移最大值和變化速率的計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1中的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)變異系數(shù)較小時(shí)，其變異性對(duì)沉降變形的影響較小，隨著變異系數(shù)的增大，沉降值的變化速率也逐漸增大。例如，當(dāng)變異系數(shù)為0.2時(shí)，豎向位移的變化速率為5.99%，當(dāng)變異系數(shù)為1.0時(shí)，豎向位移的變化速率增加到15.34%。

圖2 不同彈性模型變異系數(shù)豎向位移變化曲線

表1 不同彈性模量變異系數(shù)豎向位移最大值及變化速率

3.2 內(nèi)摩擦角

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同內(nèi)摩擦角變異系數(shù)下的堆渣體邊坡豎向位移進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取典型高程部位的豎向位移值計(jì)算結(jié)果，繪制出如圖3所示的不同內(nèi)摩擦角變異系數(shù)下的豎向位移變化曲線。由圖2可知，在不同的變異系數(shù)下，堆渣體邊坡下部的豎向位移值的變化特征與彈性模量相似，變異系數(shù)對(duì)邊坡底部豎向位移的影響較小，對(duì)邊坡中上部的影響相對(duì)較大。不同變異系數(shù)下沉降位移最大值和變化速率的計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2中的計(jì)算結(jié)果可知，變異系數(shù)越大，對(duì)邊坡豎向位移的影響也越大。例如，當(dāng)變異系數(shù)為0.2時(shí)，豎向位移的變化速率為3.01%，當(dāng)變異系數(shù)為1.0時(shí)，豎向位移的變化速率增加到12.50%。此外，與彈性模量的計(jì)算結(jié)果相比，在相同變異系數(shù)條件下，內(nèi)摩擦角的變異性對(duì)邊坡豎向位移的影響相對(duì)較小。例如，在彈性模量變異系數(shù)為1.0時(shí)，豎向位移的變化速率為15.34%，在內(nèi)摩擦角變異系數(shù)為1.0時(shí)，豎向位移的變化速率為12.50%。由此可見，豎向位移對(duì)內(nèi)摩擦角的敏感性相對(duì)較低。

表2 不同內(nèi)摩擦角變異系數(shù)豎向位移最大值及變化速率

圖3 不同內(nèi)摩擦角變異系數(shù)豎向位移變化曲線

3.3 黏聚力

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同黏聚力變異系數(shù)下的堆渣體邊坡豎向位移進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取典型高程部位的豎向位移值計(jì)算結(jié)果，繪制出如圖4所示的不同黏聚力變異系數(shù)下的豎向位移變化曲線。由圖4可知，在不同的變異系數(shù)下，堆渣體邊坡下部的豎向位移值的變化特征與內(nèi)摩擦角和彈性模量相似，變異系數(shù)對(duì)邊坡底部豎向位移的影響較小，對(duì)邊坡中上部的影響相對(duì)較大。不同變異系數(shù)下沉降位移最大值和變化速率的計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3中的計(jì)算結(jié)果可知，與內(nèi)摩擦角和彈性模量類似，變異系數(shù)越大對(duì)邊坡豎向位移的影響也越大。此外，與彈性模量和內(nèi)摩擦角的計(jì)算結(jié)果相比，在相同變異系數(shù)條件下，黏聚力的變異性對(duì)邊坡豎向位移的影響相對(duì)較小，三個(gè)變量中豎向位移對(duì)黏聚力的敏感性最低。

圖4 不同黏聚力變異系數(shù)豎向位移變化曲線

表3 不同黏聚力變異系數(shù)豎向位移最大值及變化速率

4 結(jié) 論

(1)材料的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角的變異性對(duì)堆渣體邊坡下部的豎向位移值影響不大，對(duì)中部和上部的位移影響較為顯著。

(2)材料參數(shù)的變異系數(shù)越大，邊坡豎向位移的變化速率越快，說明材料參數(shù)的變異性越大，對(duì)邊坡豎向位移的影響也越大。

(3)從彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)豎向位移的影響對(duì)比來看，彈性模量的影響最大，內(nèi)摩擦角次之，黏聚力的影響最小。