库水骤降坝体稳定性分析
本例研究水库坝体在水位下降情况下的稳定性。库内水位骤降后可能由于坝体中仍然存在较高的孔压而导致坝体失稳。本例中大坝高30 m，底部宽172.5 m，顶部宽5 m。大坝包括粘土夹心墙和两侧级配较好的填土，典型几何剖面如图16-1所示。库内常水位高25 m，计算中考虑库内水位降低20 m的情况。库外一般潜水位在地面以下10 m，地基土为超固结粉砂。
图16-1 坝体几何剖面
学习要点：
1）进行完全流固耦合分析。
2）定义时间相关水力边界条件。
3）采用不饱和渗流参数。
启动PLAXIS 3D“输入”程序，在“快速选择”对话框中选择“启动新项目”。在“项目属性”窗口中输入项目名称。保持默认单位系统，将模型边界设置为xmin= -130m，xmax= 130m，ymin= 0m，ymax= 50m。沿坝体纵向截取50m宽的一段作为分析对象，几何模型如图16-2所示。
图16-2 几何模型
为定义地基土层，需要建立一个钻孔并定义土体材料属性。模型中包含坝体下方30m厚的超固结粉砂层。
在（0.0 0.0）位置创建一个钻孔，弹出“修改土层”窗口。添加一个土层，从地表z=0至埋深z=-30。钻孔“水头”设为-10，程序将自动生成水平的潜水位。水位线与面渗流边界条件在后面的完全流固耦合分析中将会用到。
打开“材料组”窗口，在“材料组类型”下拉菜单中选择“土和界面”选项，点击“新建”，输入表16-1中的数据。将“地基土”材料指定给钻孔中的相应土层。
提示：注意“界面”和“初始条件”两个标签的功能在本例中不起作用（没有使用界面，也不使用“K0过程”）。
表16-1 坝体与粉砂的材料参数组
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标签 |
参数 |
符号 |
夹心墙 |
填土 |
地基土 |
单位 |
|
一般 |
材料模型 |
- |
摩尔-库伦 |
摩尔-库伦 |
摩尔-库伦 |
- |
|
排水类型 |
- |
不排水(B) |
排水 |
排水 |
- |
|
|
天然重度 |
|
16.0 |
16.0 |
17.0 |
kN/m3 |
|
|
饱和重度 |
|
18.0 |
20.0 |
21.0 |
kN/m3 |
|
|
参数 |
杨氏模量 |
|
1.5E3 |
2.0E4 |
5.0E4 |
kN/m2 |
|
泊松比 |
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0.35 |
0.33 |
0.3 |
- |
|
|
粘聚力 |
|
- |
5.0 |
1.0 |
kN/m2 |
|
|
不排水抗剪强度 |
|
5.0 |
- |
- |
kN/m2 |
|
|
摩擦角 |
|
- |
31 |
35.0 |
° |
|
|
剪胀角 |
|
- |
1.0 |
5.0 |
° |
|
|
杨氏模量增量 |
|
300 |
- |
- |
kN/m2 |
|
|
参考标高 |
|
30 |
- |
- |
m |
|
|
不排水抗剪强度增量 |
|
3.0 |
- |
- |
kN/m2 |
|
|
参考标高 |
|
30 |
- |
- |
m |
|
|
渗流参数 |
渗流数据组 |
- |
Hypres |
Hypres |
Hypres |
- |
|
模型 |
- |
Van Genuchten |
Van Genuchten |
Van Genuchten |
- |
|
|
土 |
- |
下层土 |
下层土 |
下层土 |
- |
|
|
土体粗细 |
- |
非常细 |
粗 |
粗 |
- |
|
|
水平渗透系数 |
|
1.0E-4 |
0.25 |
0.01 |
m/day |
|
|
|
1.0E-4 |
0.25 |
0.01 |
m/day |
||
|
垂直渗透系数 |
|
1.0E-4 |
0.25 |
0.01 |
m/day |
在“结构”模式下定义坝体几何模型。绘制一个面，四个角点坐标为（-80 0 0），（92.5 0 0），（2.5 0 30）和（-2.5 0 30）。再绘制一个面，四个角点坐标为（-10 0 0），（10 0 0），（2.5 0 30）和（-2.5 0 30）。框选两个面并在选中的面上右击，从右键菜单中选择“交叉并重组（Intersect and recluster）”，得到三个面。框选交叉重组后的三个面并拉伸，拉伸向量为（0 50 0），生成的实体即为坝体。删除用于拉伸的面，为拉伸成的实体赋予相应的坝体材料数据组。
为坝体的边界设置“时间相关水力边界条件”。根据表16-2的内容，利用“创建水力条件”工具定义地下水渗流面边界条件。
表16-2 地下水渗流面边界条件
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面 |
面上的点 |
|
1 |
(-130 0 0), (-80 0 0), (-80 50 0), (-130 50 0) |
|
2 |
(-80 0 0), (-2.5 0 30), (-2.5 50 30), (-80 50 0) |
|
3 |
(-130 0 0), (-130 0 -30), (-130 50 -30), (-130 50 0) |
进入“网格”模式，点击“生成网格”按钮“
”，弹出“网格选项”窗口，其中“单元分布”设为“细”（见图16-3）；点击“确认”，关闭“网格选项”窗口，开始自动生成有限元网格。
图16-3 “全局疏密度”设置
生成网格后，点击“查看网格”按钮，弹出“输出”窗口并显示生成的单元网格，见图16-4。
图16-4 单元网格
创建如下几个计算阶段：初始阶段（高水位）；水位快速下降阶段；水位慢速下降阶段；低水位阶段。最后对每个阶段进行安全性分析。
进入“水位”模式。根据表16-3的内容，创建两个水位面：分别对应库水达到全容量的高水位和低水位。在“模型浏览器”中的“属性库（Attributes library）”目录下，将创建的两个用户水位重命名为“高水位”和“低水位”。
图16-3 水位
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水位 |
水位面上的点 |
|
高水位 |
(-130 0 25), (-10 0 25), (93 0 -10), (130 0 -10), (130 50 -10), (93 50 -10) , (-10 50 25), (-130 50 25) |
|
低水位 |
(-130 0 5), (-10 0 5), (93 0 -10), (130 0 -10), (130 50 -10), (93 50 -10) , (-10 50 5), (-130 50 5) |
提示：对“钻孔水位”和“非水平”用户水位不能更改，例如不能更改其“时间相关（Time dependency）”属性。
进入“分步施工”模式。双击“阶段浏览器”中的初始阶段。在“阶段”窗口下的“一般”子目录中将该阶段重命名为“初始阶段：高水位”，“计算类型”设为“重力加载”。注意，此时“加载类型”只能选“分步施工”。孔压计算类型设为“稳态地下水渗流”。点击“确认”，关闭“阶段”窗口。
注意，本阶段中“变形控制参数”子目录下的“忽略不排水行为（A，B）”和“忽略吸力”是默认选择的。“数值控制参数”和“水力控制参数”子目录中的参数均采用默认值。
在“分步施工”模式下激活表示坝体的土类组。在“模型浏览器”中展开“模型条件”子目录，在“地下水渗流（GroundwaterFlow）”子目录下，将“BoundaryYMin”、“BoundaryYMax”和“BoundaryZMin”设为“关闭”，其他边界设为“打开”（见图16-5）。在“水（Water）”子目录下“全局水位（GlobalWaterLevel）”下拉菜单中选择“高水位”。
图16-5 地下水渗流边界条件
考虑库内水位骤降的情况，库内水位5天内从z = 25 m降至z = 5 m。定义描述水位变动的函数，步骤如下：在“模型浏览器”中展开“属性库（Attributes library）”目录；右击“渗流函数（Flow functions）”，从右键菜单中选择“编辑”，弹出“渗流函数（Flow functions）”窗口。在“水头函数（Head functions）”标签页中点击“
”按钮，添加一个新函数。新建函数在列表中高亮显示，并显示各定义选项。
为描述水位骤降的水头函数定义合适的名称（如“快速降低”）。从“信号（Signal）”下拉菜单中选择“线性”选项，“△Head”指定为“-20”，表示水头下降量，时间间隔指定为5天，下方显示定义函数的图形（见图16-6）。点击“确认”，关闭“渗流函数（Flow functions）”窗口。
图16-6 库水骤降工况的渗流函数
新建一个计算阶段，命名为“阶段1：水位骤降”。“计算类型”设为“完全流固耦合（Fully coupled flow-deformation）”，“时间间隔”设为5天。在“变形控制参数”子目录下，勾选“重置位移为零”。点击“确认”，关闭“阶段”窗口。
激活所有渗流面边界条件。在绘图区中选中所有“渗流面边界条件（SurfaceGWFlowBC）”，然后在“选择浏览器”中将“行为”设为“水头”，“分布”设为“均布”，“href”设为“25”。“时间相关性（Time dependency）”设为“时间相关”，“水头函数（Head function）”下拉菜单选择“快速降低”。水头函数相关信息在“对象浏览器”中也有所体现（见图16-7）。
在“模型浏览器”下的“水（Water）”子目录中，“全局水位（GlobalWaterLevel）”下拉菜单选择“钻孔水位1（BoreholeWaterLevel_1）”。
图16-7 库水骤降工况的渗流边界条件
考虑水位缓降的情况，库内水位在50天内从z = 25 m降至z = 5 m。定义描述水位变动的函数，步骤如下：新建一个渗流函数，命名为“缓慢降低”；从“信号”下拉菜单中选择“线性”；“△Head”设为“-20”，表示水头下降量；时间间隔指定为50天。渗流函数定义完成后窗口显示如图16-8所示。点击“确认”，关闭“渗流函数”窗口。
图16-8 库水缓降工况的渗流函数
新建一个计算阶段，命名为“阶段2：水位缓降”。“起始阶段”选择“初始阶段：高水位”，“计算类型”设为“完全流固耦合（Fully coupled flow-deformation）”，“时间间隔”设为50天，在“变形控制参数”子目录中，勾选“重置位移为零”。点击“确认”，关闭“阶段”窗口。点击“
”选中模型中所有“地下水渗流面边界条件（SurfaceGWFlowBC）”。在“选择浏览器”中，“水头函数”选为“缓慢降低”。“全局水位（GlobalWaterLevel）”仍为“钻孔水位1（BoreholeWaterLevel_1）”，如图16-9所示。
图16-9库水缓降工况的渗流边界条件
本阶段考库内水位较低情况下的稳态渗流。
新建一个计算阶段。在“阶段浏览器”中双击新建的阶段，弹出“阶段”窗口；在“一般”子目录中指定阶段名称为“阶段3：低水位”；“起始阶段”设为“初始阶段：高水位”，计算类型选为“塑性”，“孔压计算类型”选择“稳态地下水渗流”，在“变形控制”子目录中，勾选“忽略不排水行为（A，B）”和“重置位移为零”；点击“确认”，关闭“阶段”窗口。
在“模型浏览器”中，冻结所有渗流面边界条件；在“水”子目录中，“全局水位”选择“低水位”，如图16-10所示。
图16-10 低水位工况的渗流边界条件
继续新建四个计算阶段，分别命名为“阶段4”、“阶段5”、“阶段6”和“阶段7”，其各自的“起始阶段”分别设为前述“初始阶段”至“阶段3”等四个阶段，进行稳定性计算。
在“阶段浏览器”中双击某一新计算阶段，如“阶段4”，进入“阶段”窗口。“起始阶段”设为“初始阶段：高水位”，“计算类型”选择“安全性”，“加载类型”选择“增量乘子”；在“变形控制参数”子目录中，勾选“重置位移为零”；在“数值控制参数”子目录中，对阶段4设置“最大步数”为“30”；对“阶段5”至“阶段7”设为“50”；设为完毕后的“阶段浏览器”，如图16-11所示。
在“分步施工”模式下选择坝顶处的节点（-2.5 25.0 30.0）。点击“分步施工”模式下的“计算”按钮，开始计算。
图16-11 计算阶段定义完毕
计算完成后，点击“查看计算结果”按钮。弹出“输出”窗口，显示已选阶段的变形网格。在“应力”菜单中点击“孔隙水压”选项，从出现的菜单中选择“Pwater”。定义一个竖直剖面，通过点（-130 15）和点（130 15）。图16-12至图16-15所示为4个渗流计算阶段得到的孔压分布图。
图16-12 高库水位孔压分布（初始阶段：高水位）
图16-13 库水骤降后孔压分布（阶段1：水位骤降）
图16-14 库水缓降后孔压分布（阶段2：水位缓降）
图16-15 低库水位孔压分布（阶段3：低水位）
在变形分析中如果考虑孔压变化的影响，则坝体变形会更大。这些变形和有效应力分布可在“阶段1”至“阶段4”的计算结果基础上查看。本例中重点关注不同工况下坝体安全系数的变化。因此，绘出了“阶段4”至“阶段7”中“ΣMsf”的发展变化与坝体顶点位移发展之间的关系曲线（见图16-16）。
图16-16 各工况下的安全系数
库内水位骤降会显著降低坝体稳定性。PLAXIS 3D可快速有效地对这类工况进行完全流固耦合分析和稳定性分析。
