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基于ABAQUS的堆石坝渗流分析作者：邢爽来源：《名城绘》2020年第10期摘要：為同时考虑粘土心墙堆石坝渗流场和应力场耦合作用，采用 abaqus 软件计算了正常蓄水位时坝体位移、应力特性及渗流时坝体边坡稳定性。
结果表明，大坝在正常蓄水位下不会出现渗流破坏，心墙坝的应力-应变符合一般规律，坝体的应力和变形形态符合一般规律，坝体的应力和变形形态基本良好，在稳定渗流作用下，上下游坝坡稳定，抗滑稳定安全系数均满足规范要求。
关键词：堆石坝;有限元;ABAQUS;流固耦合1有限元及 ABAQUS 简介1.1有限元简介。
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
1.2 ABAQUS 简介。
ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。
作为通用的模拟工具，ABAQUS 除了能解决大量结构（应力 / 位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透 / 应力耦合分析）及压电介质分析。
ABAQUS 有两个主求解器模块— ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。
ABAQUS 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块—ABAQUS/CAE 。
ABAQUS 对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。
2问题描述与基本原理2.1问题基本描述。
ABAQUS模拟渗流要点ABAQUS模拟渗流要点(2011-05-24 22:56:10)转载标签：杂谈当只进行渗流计算时：1、由于Abaqus 中缺乏非耦合的孔压单元，这时可采用耦合单元，但要约束住所有位移的自由度。
2、渗流材料参数选择。
在CAE中都是在(Material-creat-other-pore fluid)选项中。
(1) Gel：定义凝胶微粒吸湿膨胀的发育过程，这在一般的岩土分析中应用不多。
(2) Moisture swelling：定义由于吸湿饱和所引起的固体骨架体积膨胀(或负吸力引起的骨架收缩)(3) Permeability：定义饱和介质的渗透系数，该渗透系数可以在type 选项中定义为各向同性、正交各向异性和各向异性，并且可以根据Void Ratio定义为孔隙比的函数。
在Suboptions中选择Saturation Dependent参数来指定与饱和度相关性系数ks(s),缺省设置为ks= s3,而非饱和介质渗透系数k'二ksk选择Velocity dependenee参数可以激活Forchheimer定律，缺省的是Darcy定律。
(4) Pore Fluid Expansion：定义固体颗粒与流体体积热变化效应。
(5) Porous Bulk Moduli：定义固体颗粒与流体体积模量。
(6) Sorption：定义负孔隙压力与饱和度之间的相关性。
当type=Absorption 时，定义吸湿曲线，type=Exsorption 时定义排水曲线。
3、载荷及边界条件(1) 通过(Load-creat-step-fluid-surface pore fluid)选项定义沿着单元表面的外法线方向的渗流速度vn,当考虑降雨影响时可采用此载荷(2) 边界条件(Boundary condition-creat-other-pore pressure)选项定义孑L压边界条件，此时要先假定浸润面的位置，然后定义浸润面上的孔压为零，Abaqus会在后续的分析计算中自动计算出浸润面的位置。
Abaqus在岩土工程中的应用岩土介质本身非常复杂，如岩土的结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应等等。
ABAQUS可以很好地模拟岩土的力学性能及对岩土工程的各个方面进行模拟包括非线性应力- 应变关系、瞬态固结、稳态流变、井点降水、土体液化分析、施工过程、岩土的应力- 变形与稳定性、边坡应力及稳定性、边坡和硐室锚固效应分析、路基、底座、深基坑、桩等的承载能力与沉陷分析、土体与钢筋混凝土道路主体间的相互作用、锚固钢缆、预应力钢筋、钢支撑、隧道加强筋等钢结构与岩土和混凝土在温度和外力作用下裂隙的分布与扩展过程模拟。
与其他领域相比，岩土工程中的数值分析有其本身的特点，ABAQUS具备解决岩土工程相应问题的功能，简要分析如下：（1）拥有能够真实反映土体性状的本构模型，如土体的屈服特性、剪胀特性等。
ABAQUS拥有摩尔库伦模型、Druker-Prager模型、Cam-Clay模型（修正剑桥模型）等，可真实反应土体的大部分应力应变特点。
其中修正剑桥模型是很多其他通用有限元软件所没有提供的。
另外，ABAQUS还提供了二次开发接口，用户可以灵活地自定义材料特性。
（2）土体是典型的三相体，普遍认为土体的强度和变形取决于有效应力，因此软件必须能够进行有效应力计算。
ABAQUS中包含孔压单元，可以进行饱和土和非饱和土的流体渗透/应力耦合分析（如固结、渗透等），可以满足这一要求。
（3）岩土工程中经常涉及到土与结构的相互作用问题，二者之间的接触特性需要得到正确模拟。
ABAQUS具有强大的接触面处理功能，可以正确模拟土与结构之间的脱开、滑移等现象。
（4）岩土工程数值分析需要软件具有处理复杂边界、载荷条件的能力。
这一点ABAQUS也是完全满足要求的，ABAQUS具有单元生死功能，可以精确的模拟填土或开挖造成的边界条件改变；ABAQUS 还提供了无限元，可以模拟地基无穷远处的边界条件。
（5）岩土工程数值分析中必须考虑初始应力作用，ABAQUS专门提供了相应的分析步，可以灵活、准确地建立初始应力状态。
基于ABAQUS 的降雨入渗作用下边坡稳定性分析摘要：为解决大型降雨导致的公路边坡稳定性问题与堤坝的防汛问题，文章基于饱和与非饱和渗流原理，采用强度折减技术与Abaqus 有限元分析软件，以哈尔滨市某高速公路边坡土体为例，模拟大型降雨过程中边坡土体的变化，分析降雨渗流作用下对公路均质土边坡稳定性的影响，并计算出降雨前后的安全系数。
结果分析表明：若降雨持续时间较长，边坡稳定性会随降雨时间和降雨强度的增长而持续下降，边坡极易发生滑坡破坏，也为堤坝的防汛和抢护提供参考。
关键词：Abaqus 软件；降雨入渗；边坡稳定性；强度折减法中图分类号：TU452文献标识码：A文章编号：2095-0438（2023）06-0149-04（1.绥化学院农业与水利工程学院黑龙江绥化152001；2.中国邮政集团有限公司吉林省分公司吉林吉林132000）降雨易诱发土质边坡产生渗透破坏及边坡失稳，近年来大量边坡失稳实例说明导致滑坡发生的一个重要诱因为降雨。
如2020年6月广西柳州市融安至永福百寿公路，一路段由于长期降雨导致发生山体边坡坍塌；2020年5月张家界市桑植县境内一处由于降雨原因导致边坡发生垮塌。
2022年6月22日，234国道连山壮族瑶族自治县至福堂镇路段，出现边坡塌方、路树倒伏等水毁险情，2023年2月22日，内蒙古自治区一处煤业有限公司矿区发生大面积坍塌，造成多名作业人员和车辆被掩埋。
大量的边坡失稳事故的发生充分表明了，边坡稳定性研究的重要性，目前，国内外已有不少学者对降雨在边坡中的作用进行过研究，如：黄毅、张文莲等基于强度折减法计算原理，对边坡稳定性进行数值模拟[1-2]；袁中夏以某外环路的一处标段工程为背景，对降雨入渗条件下黄土高填方边坡的稳定性进行分析[3]；李元松等分析总结了近年来的边坡分析方法和研究成果，为进一步研究提供方向[4]；杨朝晖等以高速公路边坡作为实例,确定边坡的安全系数,在天然条件下边坡处于欠稳定状态,而在降雨条件下边坡处于失稳状态[5]。
基于饱和—非饱和渗流理论对渠堤进行渗流分析计算本文基于饱和-非饱和渗流理论，建立渠堤边坡二维渗流模型，利用Geo-Studio的SEEP/W进行渗流分析计算。
根据计算结果，得出渗流速度、渗透坡降，渗透流量等参数，并提出相应工程措施，避免发生渗透破坏，为类似非饱和土体渗流分析计算提供参考。
标签：渗流；饱和-非饱和；渗透坡降；防渗措施前言一般情况下，我们把流体在多孔介质中的流动称为“渗流”，传统土石坝或堤坝渗流分析，常忽略非饱和土的渗透性，造成计算结果不能真实反应地下水渗流，对防渗及边坡稳定计算有影响。
S.P.Neuman曾提出引入有限单元法对饱和-非饱和土体建立有限控制方程进行离散求解；Van Genuche得出的广泛应用的非饱和土体渗流计算公式。
本文在理论的基础上，拟合土壤水分特征曲线，利用有限分析软件Geo-Studio的SEEP/W建立二维渗流模型进行渗流计算，并提出相应的防渗措施，为类似饱和-非饱和渠堤或堤坝渗流分析提供参考。
1、饱和与非饱和渗流理论饱和-非饱和土体所具备的能量用力学观点解释为“土水势”。
其包括由重力场作用引起的重力势，由压强差引起的压强势和由土的基质对水分的吸附作用产生的基质势，非饱和区基质势0。
根据质量守恒定律以及假定渗透系数张量与坐标方向一致，得出：上式即为饱和-非饱和渗流基本微分方程。
2、数值分析计算本文选取某电站右岸渠堤，堤身采用砼面板砂卵石填筑，尾水渠底宽91m，正常水深7.94m，尾水渠道地质结构为第四系冲积层（Q42al、Q41al），地层岩性存在卵砾石夹砂、粘质或粉质土，覆盖层堆积厚度12～26m，下伏基岩为白垩系，下统夹关组（K1j）。
计算工况选择为：施工期尾水渠开挖至建基面高程354.5m，右岸地下水位为丰水期地下水位374.5m。
典型剖面的渗流场、水头等值线、渗透坡降等值线分别见图1图2。
计算结果表明：（1）右岸地下水渗流特征主要反应在覆盖层区域内，即渗流通道主要位于覆盖层，各剖面渗流特征均符合地下水流动规律；（2）各剖面的水头等值线均从影响范围边界向尾水渠中心降低，沿渗流路径变化缓慢，分布较均匀，在渗流逸出点附近分布加密。
ABAQUS 在饱和－非饱和渗流分析中的应用徐海奔河海大学水工结构工程专业，南京 (210024)E-mail ：hohaixhb@摘 要：本文首先对大型通用有限元软件ABAQUS 在土石坝渗流分析中的应用进行分析，着重从多孔介质的饱和渗流，非饱和渗流及二者的混合问题（渗流自由面的计算）等方面论述。
结合一个土石坝库水位下降时二维渗流计算实例，考虑流体重力作用下，采用非线性定律求解总孔隙压力及库水位下降过程渗流自由面变化过程。
关键词：非饱和；渗流；ABAQUS ；土石坝；自由面1．引言ABAQUS 大型通用有限元软件,在我国土木工程结构分析方面应用日益广泛。
本文对它在土石坝渗流计算分析中的应用进行评述。
近年来，在国内外随着孔隙介质非饱和渗流和土体饱和渗流理论的发展，人们逐渐意识到堤坝稳定性与非饱和区渗流作用密切相关。
在研究堤坝非饱和渗流问题时，主要采用数值模拟的方法。
长期蓄水的土坝，当库水位以太快的速度下降时，坝体内孔隙水压力常常不能很快消散，因而坝体的浸润线高于上游库水水位。
在这种情况下，渗流的动水压力或渗透力的作用对上游坝坡造成浮起及下滑的趋势，甚至酿成滑坡事故。
因此在实际工程中必须防止因库水位下降速度太快而导致这类事故发生。
为进行上游坝坡的稳定分析，需要确定库水位下降过程中各时段坝体浸润线的位置，也就是通常所说的进行土坝不稳定渗流计算。
坝体浸润线下降的速度，一般决定于库水位下降的速度V 、土坝坝体渗透系数k 以及土体的给水度u 等因素[1]，与坝体的结构形式特别是坝体及地基上游面的排水条件也有很大关系。
2．ABAQUS 在均质土坝饱和－非饱和渗流计算原理在饱和土壤中，引起水分转移的力是重力和水的压力。
在非饱和土中，支配着土壤水在液态下整体转移的是重力和水的表面张力。
Richards 等曾在1931年就证明非饱和土中的渗流与饱和土一样符合达西定律和连续方程[2]。
若将达西定律代入连续方程（忽略渗透过程中总应力的改变和土颗粒骨架的变形）并以总水头h 作为未知量，当渗透的主方向与坐标轴一致时，非饱和土渗流的二维微分方程就可表示为：ty h k x x h k x w y x ∂∂=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂∂∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂∂∂θ （1） 式中，x k ，y k 分别为x ，y 方向的渗透系数；w θ为体积含水量；h 为总水头；t 为时间。
ABAQUS模拟渗流要点(2011-05-24 22:56:10)转载标签：杂谈当只进行渗流计算时：1、由于Abaqus 中缺乏非耦合的孔压单元，这时可采用耦合单元，但要约束住所有位移的自由度。
2、渗流材料参数选择。
在CAE中都是在(Material-creat-other-pore fluid)选项中。
(1) Gel：定义凝胶微粒吸湿膨胀的发育过程，这在一般的岩土分析中应用不多。
(2) Moisture swelling：定义由于吸湿饱和所引起的固体骨架体积膨胀(或负吸力引起的骨架收缩)(3) Permeability：定义饱和介质的渗透系数，该渗透系数可以在type 选项中定义为各向同性、正交各向异性和各向异性，并且可以根据Void Ratio定义为孔隙比的函数。
在Suboptions中选择Saturation Dependent参数来指定与饱和度相关性系数ks(s),缺省设置为ks= s3,而非饱和介质渗透系数k'二ksk选择Velocity dependenee参数可以激活Forchheimer定律，缺省的是Darcy定律。
(4) Pore Fluid Expansion：定义固体颗粒与流体体积热变化效应。
(5) Porous Bulk Moduli：定义固体颗粒与流体体积模量。
(6) Sorption：定义负孔隙压力与饱和度之间的相关性。
当type=Absorption 时，定义吸湿曲线，type=Exsorption 时定义排水曲线。
3、载荷及边界条件(1) 通过(Load-creat-step-fluid-surface pore fluid)选项定义沿着单元表面的外法线方向的渗流速度vn,当考虑降雨影响时可采用此载荷(2) 边界条件(Boundary condition-creat-other-pore pressure)选项定义孑L压边界条件，此时要先假定浸润面的位置，然后定义浸润面上的孔压为零，Abaqus会在后续的分析计算中自动计算出浸润面的位置。
ABAQUS 在饱和－非饱和渗流分析中的应用
徐海奔
河海大学水工结构工程专业，南京 (210024)
E-mail ：hohaixhb@
摘 要：本文首先对大型通用有限元软件ABAQUS 在土石坝渗流分析中的应用进行分析，着重从多孔介质的饱和渗流，非饱和渗流及二者的混合问题（渗流自由面的计算）等方面论述。
结合一个土石坝库水位下降时二维渗流计算实例，考虑流体重力作用下，采用非线性定律求解总孔隙压力及库水位下降过程渗流自由面变化过程。
关键词：非饱和；渗流；ABAQUS ；土石坝；自由面
1．引言
ABAQUS 大型通用有限元软件,在我国土木工程结构分析方面应用日益广泛。
本文对它在土石坝渗流计算分析中的应用进行评述。
近年来，在国内外随着孔隙介质非饱和渗流和土体饱和渗流理论的发展，人们逐渐意识到堤坝稳定性与非饱和区渗流作用密切相关。
在研究堤坝非饱和渗流问题时，主要采用数值模拟的方法。
长期蓄水的土坝，当库水位以太快的速度下降时，坝体内孔隙水压力常常不能很快消散，因而坝体的浸润线高于上游库水水位。
在这种情况下，渗流的动水压力或渗透力的作用对上游坝坡造成浮起及下滑的趋势，甚至酿成滑坡事故。
因此在实际工程中必须防止因库水位下降速度太快而导致这类事故发生。
为进行上游坝坡的稳定分析，需要确定库水位下降过程中各时段坝体浸润线的位置，也就是通常所说的进行土坝不稳定渗流计算。
坝体浸润线下降的速度，一般决定于库水位下降的速度V 、土坝坝体渗透系数k 以及土体的给水度u 等因素[1]，与坝体的结构形式特别是坝体及地基上游面的排水条件也有很大关系。
2．ABAQUS 在均质土坝饱和－非饱和渗流计算原理
在饱和土壤中，引起水分转移的力是重力和水的压力。
在非饱和土中，支配着土壤水在液态下整体转移的是重力和水的表面张力。
Richards 等曾在1931年就证明非饱和土中的渗流与饱和土一样符合达西定律和连续方程[2]。
若将达西定律代入连续方程（忽略渗透过程中总应力的改变和土颗粒骨架的变形）并以总水头h 作为未知量，当渗透的主方向与坐标轴一致时，非饱和土渗流的二维微分方程就可表示为：
t
y h k x x h k x w y x ∂∂=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂∂∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂∂∂θ （1） 式中，x k ，y k 分别为x ，y 方向的渗透系数；w θ为体积含水量；h 为总水头；t 为时间。
令y 为位置水头，则：y u h w w
+=γ，若w m 为土水特征曲线斜率，则：
()y h m u m w w w w w −∂=∂=∂γθ。
式（1）就可以写为：
()t y h m y h k x x h k x w w y x ∂−∂=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛∂∂∂∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂∂∂γ （2） 因为y 为常数，式（2）可简化为：
t
h m y h k x x h k x w w y x ∂∂=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂∂∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂∂∂γ （3） 上式即为二维饱和－非饱和渗流方程[3]。
从式（3）也可以看出，非饱和土中的渗透系数不再是常数，而是含水量的一个函数，此函数被称为非饱和土的渗透系数函数。
因此，要进行非稳定渗流分析，需具备以下基本 条件（1）材料的渗透系数函数，包括负孔压区的渗透系数函数；（2）库水位下降速度；（3）确定边界条件。
当上述条件已知时，就可以对式（3）进行求解，从而得到饱和－非饱和土的非稳定渗流场。
3．均质土包饱和－非饱和渗流分析
某水库大坝为均质坝，坝高12m ，坝顶宽4m ，坝底宽52m ，坝体边坡坡度为1:2，在坝下游设有排水棱体（底宽4m ），底部其他为不透水层，下游没有水。
水库上游水位随时间的变化过程如图1，假定历时6个月时间将水库蓄满水，此时水位高11m ，并保持该水位5年，5年后又花6个月时间将水库蓄水排空。
由于该土坝足够长，所以视为平面应变问题，采用孔压/位移耦合的CPE8RP 平面应变单元，模型有限元网格见图2。
图1 水位随时间变化过程 图2 有限元网格
水的重度为3
/10m KN ，土坝土体在饱和时的渗透系数为d m /06912.0，土体非饱和时，土的渗透系数满足以下基本假定：渗透系数随饱和度的减小而降低，并和饱和度之间呈3次方函数关系。
其渗透系数s s k k k k 其中,^=是基质吸力或饱和度的函数[4]，如图3所示。
非饱和土对应的孔隙水压力与饱和度关系可由土水特征线（吸湿/干燥曲线）来描述，如图4所示，假定吸湿曲线和干燥曲线重合。
初始状态假定其饱和度为0.167，初始孔压为负值，并随高度线性变化，堤顶孔压为-120kPa ，初始孔隙比为1.0[5]。
图3 渗透系数随饱和度的变化曲线图4 土水特征线
图5为堤坝土体初始孔压分布图，图6－图8为蓄水不同时期坝体孔隙压力分布图，图9为渗流到达稳定时坝体孔隙压力分布图，图10－图13为排水不同时期坝体孔隙水压分布图：（其中零孔压线即为渗流自由面）
图5：初始孔压分布
图6：蓄水2个月孔压分布等值线云图
图7：蓄水4个月孔压分布等值线云图
图8：蓄水6个月孔压分布等值线云图
图9：渗流稳定时孔压分布等值线云图（蓄水11个月后）
图10：水位下降1个月时孔压分布等值线云图
图11：水位下降3个月时孔压分布等值线云图
图12：水位下降7个月时孔压分布等值线云图
图13：水位下降3年时孔压分布等值线云图
通过上述计算结果，可以得出以下结论：
（1）在水位到达最高水位（6个月，图8），坝体渗流并未达到稳定，在蓄水时间为11个月时（图9），渗流才稳定下来。
（2）水库排水结束，水位为零时（历时6个月），堤坝内部还具有一定的孔压，说明坝体内含水还没有排出，即使在3年后，坝体内部孔隙水压力还没有完全消散完毕，在坝体底面的中部位置，还残留有少量的含水量。
（3）从以上图中可以判断出稳定渗流时间以及压力水头值，在排水后3年后，坝基底面的最大孔压值4.78kPa，即有0.478m的水头，坝基右侧底部孔压都为零，是因为该位子为排水棱体处，在计算时设该部分为自由排水边界。
4．总结
本文通过ABAQUS软件对饱和－非饱和稳定渗流规律进行了初步的探讨，由上述计算结果分析可知，用ABAQUS软件来模拟饱和－非饱和稳定渗流是可行的。
同时得出一些有益的规律，对研究大坝渗流状态具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 王金昌，陈页开.《ABAQUS在土木工程中的应用》［M］.浙江大学出版社。
[2] 庄茁，张帆.《ABAQUS非线性有限元分析与实例》［M］.科学出版社。
[3] 毛昶熙.《渗流计算分析与控制》［M］.中国水利水电出版社。
[4] 张晔.《饱和－非饱和稳定渗流分析》［J］．大坝与安全。
[5] 张乾飞，顾冲时.《土石坝渗流确定分析模型研究》［J］．武汉水利电力大学学报。
Analysis on saturated-unsaturated steady seepage on
ABAQUS
Xu Haiben
Department of Hydro-structure engineering，Hohai University，Nanjing (210024)
Abstract
On this paper, the application of general-purpose finite element software ABAQUS in the earth dam seepage was analyzed, focusing on discussing the saturated seepage, unsaturated seepage and the mixed two (free face seepage calculation) of the porous media. Combination a calculation example of two-dimensional seepage of earth dam when the water level fell, considering the role of gravity fluid, using the rule of nonlinear to solve total pore pressure and the change process of seepage free face when the water level down.
Keywords：unsaturated，seepage，ABAQUS，earth dam，free face
作者简介：徐海奔，男，1983年生，硕士研究生，主要研究方向是大坝渗流分析。
