基于ANSYS和GEO_SLOPE的斜坡稳定分析法

1、第39卷第14期2008年7月文章编号:1001-4179(2008)14-0046-02人民长江YangtzeRiverVol.39,No.14July,2008基于ANSYS和GEO-SLOPE的斜坡稳定分析法刘世建陈建康符文熹尚岳全王丽峰2232(1.四川华能宝兴河电力股份有限公司,四川雅安625000;2.四川大学水利水电学院,四川成都610065;3.浙江大学土木工程学系,浙江杭州310027)摘要:分析了斜坡稳定计算方法和评价方法存在的一些问题,从解决问题的角度出发,GEO-SLOPE能较好地分析斜坡稳定性。由于GEO-SLOPE建立复杂模型难度大,而软件ANSYS。结合两个软件的

2、优点,提出了基于ANSYS和GEO-SLOPE,S,运行自编的GEO-SLOPE与ANSYS接口程序,将ANSYSSLOPE,行佐证,该方法为斜坡稳定分析提供了新的思路,。关键词:斜坡;有限元;可靠度;GEOSS中图分类号:TV698:A、公路、铁路,比较突出的是斜坡稳定性问题是斜坡研究的核心,也是学术界当前的热点研究课题之一,因此如何处理好这些斜坡,将其对自然环境及人身生命财产造成的损失降到最低,研究出更切合工程实际的斜坡稳定评价方法具有重要意义1,2。本文以可靠度理论为基础,充分利用现行通用计算软件ANSYS和GEO-SLOPE,拟寻求一种新的思路,并结合工程实1.2评价方法学者们在斜坡稳

3、定研究中发现,用单一安全系数评价斜坡稳定性时,往往存在安全系数大于1.0的斜坡失稳,而安全系数小于1.0的斜坡却运行稳定,显然仅以单一的安全系数评价斜坡稳定存在局限性,因为单一安全系数法并未考虑斜坡材料强度值的不确定性,且用单一安全系数评价不同斜坡时,对不同的斜坡工程其评价结果不具可比性,而日益成熟起来的可靠度理论,考虑了主观和客观上的不确定性,克服了安全系数评价的不足,在不同的斜坡工程中其评价结果具有可比性。可靠度理论积极地推进了斜坡的稳定性分析研究,对斜坡稳定进行合理评价起到了促进作用。目前,可靠度理论已经发展成为评价斜坡稳定性问题的一种具有较大影响力的评价方法。例,藉此评价斜坡的稳定性问

4、题。1斜坡稳定分析存在的问题1.1计算方法斜坡稳定性计算的有限元方法,主要包括基于滑面应力分析的有限元法和基于强度折减的有限元法(简称强度折减法)3,4。前者是一种常规计算方法,是诸多斜坡稳定性有限元分析软件(如GEO-SLOPE)的理论基础。后者因在学术界尚存争议,暂未广泛应用。符文熹等在“高陡斜坡深部变形体三维稳定性研究”一文中指出用强度折减法计算斜坡稳定仍存在一些问题,如强度折减法的理论基础究竟是Mohr-Coulomb强度理论还是Drucker-Prager强度准则,计算模型中岩体和软弱结构面的强度值如何折减:两者均进行折减还是仅折减岩体或软弱结构面的强度值。赵杰5等也提出,基于强度折

5、减的有限元法判断斜坡失稳的指标不一致;其次折减迭代数值计算过程中的失值采用等比例折减不合理。综上所稳判断不够明确;再次c、述,强度折减法自身还有诸多问题未解决,因此斜坡稳定计算宜采用基于滑面应力分析的有限元法。2斜坡稳定分析法前面对斜坡稳定分析中主要存在的问题进行了简要的叙述,笔者考虑扬长避短,寻找一种新的评价思路,即是按基于滑面应力分析的有限元法进行计算,再按可靠度理论评价。目前,在做大型计算时,一般需借助成熟软件。笔者在多次尝试后发现,软件GEO-SLOPE能很好地解决这一难题。因为GEO-SLOPE以基于滑面应力分析的有限元法为理论基础,且其6SLOPEW模块可以通过MonteCarlo

6、方法实现变量的随机模拟,将安全系数以概率的形式进一步量化,能很好地评价斜坡稳定。但是GEO-SLOPE软件也有自身的缺点,即难于创建复杂的自然边坡有限元模型,而ANSYS的突出优点则是能快速创建出合乎工程实际的有限元模型,最终实现斜坡稳定分析。为此,笔者用Visua1Fortran语言编制了GEO-SLOPE与ANSYS接口程序,实现了ANSYS模型到GEO-SLOPE的转换。本文介绍的斜坡稳定分析法主要包括建立ANSYS有限元收稿日期:2008-01-15基金项目:国家自然科学基金资助项目(40672185)作者简介:刘世建,男,四川华能宝兴河电力股份有限公司,工程师,硕士。 1994-20

7、10 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第14期刘世建等:基于ANSYS和GEO-SLOPE的斜坡稳定分析法47模型、ANSYS与GEO-SLOPE间模型转换、生成GEO-SLOPE模型、计算应力场、SLOPEW模块计算斜坡的可靠度5个步骤。2.1建立ANSYS有限元模型基本步骤:自上而下或自下而上创建实体模型;运用布尔操作实现实体之间的交、加、减、搭接、分割和粘接等复杂运算,以修正实体模型;定义单元的属性;划分网格;合并节点和单元;压缩节点和单元编号;输出节点坐标文件NODE.DA

8、T及单元信息文件ELEM.DAT。然工况为实例,进行斜坡稳定分析和评价。通过现场地质调查,并进行弹塑性静力有限元计算,确定了3种主要滑移模式(图1):浅表部的残坡积体滑动;前缘以堆积体为主体的深部滑动;堆积体整体滑动。斜坡的力学参数见表1。2.2ANSYS与GEO-SLOPE间模型转换要将ANSYS有限元模型转换到GEO-SLOPE中,首先应弄清GEO-SLOPE与ANSYS数据之间的关系。GEO-SLOPE与ANSYS的模型都提供了四边形单元和三角形单元,单元节点都采用逆时针方式排序。但是,ANSYS中存在四边形单元退化为三角形单元问题,当有限元模型在ANSYS与GEO-SLOPE转换过程中

9、遇到退化单元时,须将退化单元按GEO-SLOP中的排序规定修改。GEO-SLOPE与ANSYS接口程序具有如下功能:该程序将ANSYS的单元节点坐标转化成GEO-SLOPE;根据单元信息文件ELEM.DAT,的形状,并且考虑了退化单元的转换,O-单元;该程序还将ANSYSO-SLOPE,;GEO-SLOPE数据文件GEOSLOPE.1滑动模式组合示意表1斜坡的物理力学参数介质材料冲积层对应状态容重弹形模量泊松内摩擦角粘聚力MPa比()(kNkPacm-3)E022.500.46822.500.46824.780.0727.690.10510.88010.880138001040000.3500

10、.3500.3000.22030.2851.40930.2851.40933.23547.67414.25239.32.58639.32.5861073519536672.3生成GEO-S模型启动GEO-SLOPE,将GEOSLOPE.DAT数据文件导入SIG2MAW或QUAKEW模块运行,生成了GEO-SLOPE有限元模型。由于GEO-SLOPE与ANSYS数据排序方式不同,需在GEO-SLOPE中重新排序,才能得到符合GEO-SLOPE内部结构的有限元模型。另外一种方法,将SIGMAW或QUAKEW模块中的文件以解压方式保存,根据NODE.DAT和ELEM.DAT文件修改解压文件的节点和单

11、元数据,然后打开解压文件,重新排序,也可取得同样的效果。GEO-SLOPE中的6个模块均可调用该有限元模型。均值标准差残坡积层均值标准差溃屈破碎层均值标准差弱风化层均值标准差3.2建立有限元模型在ANSYS中选择了四边形网格单元,根据实际情况定义了4种材料。该模型(图2)共划分单元数708个,节点数740个。使用GEO-SLOPE-ANSYS接口程序,将模型导入GEO-SLOPE中。2.4计算应力场首先,在SIGMAW或QUAKEW模块中设置工作区域、模型比例。其次,定义分析的问题,指定分析类型,设置边界条件,定义材料力学参数和作用荷载,校核无误后进行求解。最后,保存结果文件。2.5SLOPE

12、W模块计算斜坡的可靠度在SLOPEW中调用SIGMAW或QUAKEW中的有限元模型。同样先设置工作区域、模型比例,定义分析的问题和分析的类型,选择有限元法计算安全系数,然后从上述计算结果中读入应力文件,选择概率计算方法并设置MonteCarlo模拟次数,输入材料相关参数的均值和标准差,最后绘制材料分区线和滑移线,校核无误后将文件以解压方式保存,进行计算。结果文件中包含有评价斜坡稳定所需的安全系数值及其均值、标准差、可靠度指标和失效概率等。图2有限元模型及斜界条件3工程实例3.1滑移模式及计算参数本文以四川省九龙河溪古水电站梅铺堆积体B区PM02天3.3计算成果、调用SIGMAW模块和SLOPE

13、W模块进行计算,将c、(下转第69页) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第14期郭红浩等:白龙江锁儿头水电站凸岸引水防沙试验研究69于静止状态,没有泥沙越过潜水墙,也没有泥沙进入电站取水口。河床形态与造床流量塑造的冲淤平衡床面基本一样。在来流量分别为588m3s和805ms时,主槽内水流湍急,床面大量泥沙处于运动状态,特别是在805m3s流量时,主流区泥沙运动强烈,呈层移运动状态。在上述两种流量下,主槽床面很快就已冲刷到原河床面,大量泥沙进入潜水墙内侧,并随水流

14、排到下游,部分泥沙越过第1道潜水墙,还有一部分泥沙跃过第2道拦沙坎进入电站取水口,两种流量下的泄洪闸排沙量和电站取水口的进沙量见表3。在库区床面达到新的冲淤平衡后,模型实测库区断面冲淤变化见图3。由图3可见,不同流量滩槽位置并未发生较大变化,仅床面主槽宽度有所不同。表3泄洪排沙闸排沙量与电站取水口进沙量比较入库流量电站取水口泄洪排沙闸总排沙量电站进沙量占总(m3排沙量百分数%s-1)进沙量m3排沙量m3m3588805999.51987.324823.438576.525822.940563.83.94.9图4坝轴线上游(98.0m)断面冲淤变化水墙高程相差不到1m;而泄空冲刷运行工况均使潜水

15、墙左侧泥沙淤积面冲刷下降,尤其是335m3s流量,泄空冲刷效果最好,潜水墙左侧达到了“坎前清”。由此可见,泄空冲刷运行非常必要,它不仅可恢复部分淤积库容,使水库起到以库代池(沉沙池)作用,更重要的是,“坎前清”,更有利于电站引水防沙。5库容小,库区河床比降大,洪水历时短,40万m3,库沙比仅为0.3,使锁儿头水电站原设计方案的拦排沙设施不能满足引水防沙要求,经过优化完善后,拦排沙设施使电站达到了良好的引水防沙效果,且泄空冲刷运行还可使潜水墙左侧达到“坎前清”,更有利于电站引水防沙运行。图3(98.0m)断面冲淤变化4.4泄空冲刷33泄空冲刷方案分别模拟了Q为83、160ms和335ms共3个流

16、量的水流来沙情况。从试验观测情况来看,3个工况流量的冲槽位置和库区的冲刷形态基本一致(见图4),仅在冲刷深度和主槽宽度上有所区别。此外,从电站引水防沙和泄空冲刷2个运行工况潜水墙左岸河床面高程比较来看,电站引水防沙运行工况均造成潜水墙左侧较多泥沙淤积,泥沙淤积高程和潜参考文献:1张光碧,余挺,贺昌林等.水头水电站凸岸引水防沙工程措施研究.四川大学学报(工程科学版),2006,38(4):2933.2陈树荣.布置于凸岸的江边村拦河闸电站引水防沙试验研究.人民珠江,2005,(4):2930.3张根广.锁儿头水电首部枢纽整体水工泥沙模型试验报告.杨凌:西北农林科技大学,2007,12.4谢鉴衡.河

17、流模拟.北京;中国水利水建出版社,1993.(编辑:赵秋云)(上接第47页)作为随机变量,模拟次数设定为5000,得到不同滑移模式的计算成果(表2)。按照有关标准7,由表2可以看出,3种滑移模式的可靠度指标均大于2.75,失效概率均小于0.3%,满足可靠度设计要求。表2计算成果编号123需的时间、精力,又充分发挥了GEO-SLOPE在计算斜坡稳定分析和评价方面的优势。(3)计算理论的多样和软件开发的兴盛,掌握一种或几种软件已经成为进行科学研究必备的技能之一。(4)本文所述方法很好地解决了斜坡工程稳定的分析和评价问题,是一种切实可行的分析方法,为其他大型斜坡工程稳定研究提供了一种新思路。滑动模式

18、说明堆积体前缘表部堆积体前缘深部堆积体整体滑动均值1.3591.3041.951标准差0.0530.1090.151可靠度指标6.7732.7816.314失效概率Pf%6.7910-102.7110-1-8参考文献:1符文熹.边坡岩体深层变形破裂的形成演化机制与评价方法,见:浙江大学博士后研究报告.杭州:浙江大学,2002.2姚裕春.边坡开挖工程活动对环境影响研究,见:西南交通大学研究生学位论文.成都:西南交通大学,2005.3刘波,韩彦辉(美国).FLAC原理、实例与应用指南.北京:人民交通出版社,2005.4赵尚毅,郑颖人等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数.岩土工程学报,2002,24(3):343346.5赵杰.边坡稳定有限元分析方法中若干应用问题研究,见:大连理工大学博士学位论文,大连:大连理工大学,2006.6GEO-SLOPEOFFICE.SLOPEWforslopestabilityanalysis.GEO-SLOPEInternationalLtd,19912001.7中华人民共和国国家标准.水利水电工程结构可靠