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百花滩电站3 # 机组尾水管开裂影响研究 水利工程领域 硕士研究生：杨跃东指导老师：张建海教授、高明军教高 摘要 尾水管的稳定是水电站安全运行的重要保证。百花滩水电站3 4 机组 尾水管在浇筑过程中，由于支撑枋木断裂，造成尾水管靠肘段顶板下垂并 产生横向裂缝，对尾水管的稳定产生不利影响。分析研究尾水管顶板下垂 和产生横向裂缝后的结构应力重新分布情况以及横向裂缝发展变化趋势 显得尤为重要。本文采用非线性有限元法对3 8 机组尾水管四个典型剖面 和三维整体应力应变进行了分析。分析结果表明： 1 、由于下垂变位引起的右孔混凝土开裂致使钢筋出现拉应力，以检 修工况下右孔剖面7 的钢筋拉应力最大，量值达到7 9 6 8 m p a ，小于钢筋 的设计抗拉强度。 2 、由于下垂变位引起的右孔混凝土开裂致使缝端出现拉应力，以检 修工况下右孔中剖面6 的缝端拉应力最大，量值达到2 6 0 7 k p a 。缝端出现 明显应力集中现象。 3 、尽管下垂变位引起的右孔混凝土开裂致使裂尖混凝土出现拉应力， 但是量值在0 2 6 m p a 以内，小于混凝土的许用抗拉强度。按断裂力学计算， 其k i = o 1 6 m p a m 汜，小于临界断裂韧度k l c = 0 7m p a m “2 ，故该裂纹不 会扩展，即不会带来严重的结构危害。这与现场的裂缝观测相吻合。 4 、将无缝工况与有缝工况相比，可见对应相同蓄水工况下，厂房结 构特征变位差异非常微弱。下垂和裂缝导致的位移差一般在o 0 0 2 c m 以 内。可见，该裂缝不会产生宏观变位和应力影响。 关键词：百花滩电站尾水管开裂研究 a b s t r a c t t h es t a b i l 埘o ft 1 1 et a i lw a t e rp i l ei si l n p o r t a n tt ot h es a f e t yo ft h ew h o l e p o w e rs t a t i o mac r a c ki i lm et o po f m et a i lw a t e rp i l ei sc a u s eb yt h e d e s 仃o yo fs o m ep i l l a f s 慨c a s t i n gt h em a c h i n e 9 e tn o 3 n s 嘶r t a n tt o a n a l y s i st h et r e n do f t h ec m c ka n dt h ea l t c r 嘶o f t h cs t r e s sf i e l di nm c s 廿u c t u r e t h es 知e s s 越dt h es t a i nf i e l do ft h es t r u c t u r ei sc o m p u t e dw i 也 3 - d m e n s i o n i l l i n e a rf i n i t ee l e m 朗tm e t h o d s o m ec c l u s i o n sa r em a d eb y t l l ec 加耳眦a t i o n ： 1 t h ed o w nd i 印la c l e 蛳i n t 砌lca _ i l p “s t l e s si nt h es t e e lb 鹤锄dt h i s s 缸e s sw i l lb em a x i 舢mi nc a s e7 h o w e v t h em a x i m u ms n s si sj u s t 7 9 6 8 m p a ，w h i c hi sm u c hl e s st h a na l l o w a b l es 缸弓s s 2 1 kd o w nd i s p l a c e m t 研l lc a m ep l l l ls 缸e s si nt h ee n do f t h ec 聊戈 姐dt l l i ss t r e s sw i l lb em a x i n l u mi ne a s e6 w h i c h 砸n 础i e v et o2 6 0 7 k p a p r o m m e n ts t r e s sc o n c e 】m a t i o nw 1 1h a p p e n m1 1 1 ee n do f 血ee r a e k 3 a l m o u 曲t h ed o w nd i s p l a c e n l e l l t 、 ，i l lc a u p d l s 缸e s si nt h e c o n c r e t ei i lt h ee n do ft h ee r a e l ( ，t h es t r e s si sn om o r et h a no 2 6 m p a ，w h i c hi s m u c hl e s st h a nt h ea l l o wa ：b l es 仃e s so fm ec o n c r e t e a e c o r d m gt ot h ec r a c k m e e h a n i e s ， 也ek ii so 1 6m a m l 尼，a n di sl e s st h a nt h ec d t i c a lc r a c kt e m p e r k i c = o 7m p “m l a c o n s e q u t l y ，m ec r a c k 晰un o tg oo nt oe x p 托d ，w h i c h m e a n ss e r i o 璐s t r u c t u r ed a m a g ew i un o th a p p e n , a n dt h i si sc o m c i d e n tw i t l l 也em e a s u l ei nt h ec o n s t r u e d o ns c e n e 4 t h ec o 加_ p a r eb e t w e e nt h ec a s ew i t haa 郴k 髓d 也eo n ew 油o u tt h e c r a c ki l l m c a t e st h a tt h ei n f l u c a u s e db yt h ec 均c kt 0t h ee h a r a e t c r i s t i e d i s p l a c e m e n ti sv e r yl i t t l e 。a n d 也ed o w nd i s p l a c e m e n ti s a l m o s tl e s st h a n 0 0 0 2 e m s o m ec r a c k 、】l r i nn o tc 羽ms e r i o u si n f l u 锨t ot h ed i s p l a c e m e n to f t h es 缸e s s k e y w o r d ：b a i h l l a ：t a np o w 盱s t a ：c i o n ，t a i lw a t e l p i l e ，c r a c kr e s e a r c h 四川大学工程硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是在本人在导师的指导下，结合自己多年 的工作体验，精心的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除应用参考 资料外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得四川大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所作的贡献均在论文中做了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间，在导师指导下取得的， 论文成果归四川大学、四川省水利水电勘测设计研究院和我本人共同所 有，特此声明。 声明人： 指导老师： 四川大学工程硕士学位论文 第一章概述 1 1 研究课题的提出 百花滩电站3 。机组尾水管顶板靠肘管段进行砼浇筑过程中，施工人员 听到异常声响，并发现支撑枋木断裂，立即停止了该仓砼浇筑，第二天经 加固支撑后，重新浇筑该仓砼。验收小组在验收3 4 机尾水管过程中，发现 右侧项部下垂，并产生横向裂缝，裂缝距尾水门槽9 2 m ，桩号为0 + 0 5 3 5 3 0 ， 当即进行的对比测量结果表明，顶板下垂最大值约1 6 c m ，裂缝宽度未进 行测量。3 “机组尾水管验收终止。2 0 0 5 年4 月2 2 日，工程指挥部对此事 进行了通报，要求施工单位查明事故发生的原因，查清因尾水管断面变化 对机组稳定运行带来的影响，分析开裂造成的砼中应力分布及钢筋应力的 变化；并对裂缝进行监测。 施工单位按指挥部和监理工程师的意见。对裂缝进行了贴玻片监测， 一年多来，玻片未产生破裂。施工单位还请东风电机厂有关人员对尾水管 变形所引起的水流条件的改变和对机组稳定运行的影响进行了评估。 尾水管的变位和开裂，是一项无法弥补的缺陷，尾水管今后只能带病 运行。因此对尾水管进行较深入的计算分析，了解开裂后各种工况下尾水 管砼及钢筋的应力分布，对判断尾水管运行的安全状态是十分必要的。 为提供计算准确的初始和边界条件，对变形范围进行精确测量，对裂 缝的宽度和深度进行准确测量是必要的，施工单位应结合对裂缝的处理， 进行此项工作，并提供测量结果。 1 2 国内外研究现状 尾水管稳定是电站安全运行的重要保证，但是，查阅有关资料后发现 目前国内涉及研究尾水管结构应力及稳定性的文章不多，仅发现两篇： 文献主要研究目的：由于在基础处理上，某工程采取了两项措施： ( 1 ) 将直角坝踵改成斜坡坝踵：( 2 ) 考虑到基岩局部破碎为减少工程量， 一改过去的平面形状，将基础设计成台阶形状。由于厂房和基础材料性质 四川大学工程硕士学位论文 不同，在水压力( 正常水位) 和坝体自重等荷载作用下除坝踵会有拉应力 产生之外，其它区域也会产生局部拉应力。基岩厂坝结构的应力分布较 为复杂，工程设计者十分关心引水道周边混凝土的应力情况，要求对其做 深入研究； 文献n 1 主要研究目的：土卡水电站为河床式电站，大坝和厂房底板 联成一体，共同挡水，厂房内部进水管、涡壳、尾水管等结构空间结构复 杂，加之下游尾水位很高，且坝基变形模量较低( e o = 3 0g p a ) ，因此，对 厂房坝段整体混凝土结构和大坝基础进行应力应变及稳定性研究十分必 要。该文以一个机组段( 2 3 m ) 作为计算对象，采用数值模拟方法进行了 各种控制工况下的静力计算，以对厂房坝段整体结构的变位、受力情况作 全面的了解。核算厂房坝段的整体稳定性和抗浮稳定性，为施工详图设计 提供依据。 本课题针对百花滩电站尾水管开裂问题进行专门的应力及稳定性研 究，对工程设计及处理有实际意义和理论意义。 1 3 本文研究目的与研究思路 本课题的研究目的在于对百花滩电站3 。尾水管的受力情况和稳定性 进行三维有限元分析，判断尾水管的稳定性，最终提出3 。尾水管开裂部位 的处理建议。总体研究思路和相关研究内容为： ( 1 ) 研究尾水管未开裂情况时的尾水管衬砌中的应力分布及钢筋应 力状态。 ( 2 ) 研究尾水管开裂和变形情况时的尾水管衬砌中的应力分布及钢 筋应力状态。 ( 3 ) 提出开裂部位的处理建议。 2 四川大学工程硕士学位论文 第二章百花滩电站工程概况 2 1 工程概要 青衣江位于四川盆地西部边缘，属岷江水系大渡河下游左岸一级支 流。主要支流有宝兴河、天全河、荥经河、玉溪河、周公河及花溪河等， 主源宝兴河发源于邛崃山脉巴朗山南麓蜀西宫，向南至两河口纳西河，过 宝兴于三江口纳芦山河，至飞仙关纳始阳河之后，转向东南经多营坪穿雅 安市区至城东纳周公河，过姚桥、大兴、梯子岩、水津关、龟都府、止水 岩后，入乐山市洪雅县境，经槽渔滩至木城纳花溪河，穿夹江千佛岩至乐 山草鞋渡入大渡河，大渡河再东行5 k m 入岷江。青衣江全长2 8 4 k m ，平 均比降1 2 9 0 ，流域面积1 3 7 万k m 2 ，河口多年平均流量5 3 1 m 3 s ，年径 流量1 7 1 2 亿m 3 ，占岷江水系径流量的1 9 3 ，而流域面积占9 5 。根 据四川省水力资源复查成果统计，青衣江流域水能蕴藏量达5 8 1 0 m w ， 技术可开发量3 0 6 2 m w ，经济可开发量2 7 9 3 m w ，水资源十分丰富。 青衣江是成都平原西南部的一条重要河流，曾进行过多次规划。1 9 8 8 年四川省水利水电勘测设计研究院和雅安地区进行了青衣江流域水资源 利用规划，提出了青衣江流域水资源利用规划报告，对干流规划了八 级电站，在槽渔滩河段以上规划三级，以下规划五级。梯级电站规划是以 长征渠引水规划为前提，即考虑长征渠在青衣江槽渔滩枢纽取水2 3 0 m 3 s ， 在槽渔滩以下河段规划了高凤山、金釜、门坎石、干佛岩、堰板五级小电 站，其中属洪雅县境内的有高凤山和金釜电站，装机容量分别为4 0 0 0 k w 和2 0 0 0 k w 。由于长征渠引水工程何时兴建，尚难料定。近年来，在长征 渠取水枢纽槽渔滩处已建成装机容量7 5 m w 电站，高风山处已建成装机 容量7 5 m w 电站，距洪雅青衣江大桥下游约6 5 k m 处装机容量为8 4 m w 的城东电站已建成。但在高凤山尾水至城东电站回水末端之间约2 1 k m 河 段还未开发利用，为了充分利用本河段的水能资源，四川省水利院针对该 河段进行了水电开发方式的技术经济比较，提出百花滩梯级开发方案。 洪雅县百花滩电站工程位于青农江干流洪雅县止戈镇，是青衣江干流 四川大学工程硕士学位论文 河段梯级开发的第9 个梯级。本工程开发的主要任务为发电，兼顾环境、 旅游等，电站为河床式开发，水库正常蓄水位4 8 3 5 0 m ，电站装机容量 1 2 0 m w ，水库总库容2 6 1 8 万m 3 ，多年平均发电量5 8 4 4 6 6 0 0 0 0 万k w h 。 工程布置的主要建筑物为；左右岸副坝、左岸接头坝、泄洪冲沙闸、 非溢流连接坝段、电站厂房( 3 台立式水轮发电机机组) ，左右岸有公路 对外连接，交通方便。 2 2 工程地质 2 2 1 地貌及物理地质现象 工区位于四川盆地西南边缘，区内地貌主要为构造剥蚀地貌和侵蚀堆 积地貌两大类型。 ( 1 ) 构造剥蚀地貌主要分布在工区外围，库区周边地形西北高，东 南低，青衣江总体流向由北西流向东南，青衣江右岸以西由丘陵渐变为中、 低山区，山顶海拔高程5 0 0 1 1 0 0 m ，为构造剥蚀区。青衣江左岸以东主 要为浅丘地貌，相对高差2 0 5 0 m ，属构造剥蚀一堆积区。 ( 2 ) 侵蚀堆积地貌主要分布于青衣江河谷地区，地形平坦，相对高 差不大，两岸阶地呈不对称发育，i 级阶地分布宽广，河谷开阔，、i 、 级阶地两岸零星分布。 2 ，2 2 地层岩性 测区内第四系覆盖层广泛分布，此外出露有白垩系下统夹关组和灌口 组地层，现由老至新简述如下： ( 1 ) 白垩系下统夹关组( k i j 2 ) 为浅紫暗棕红色厚层状砂岩夹同色粉砂质泥岩，砂岩具大型斜层 理，底部为棕红色含砾细砂岩或石英质砾岩。该层分布于测区外围汉王背 斜、尖锋寺背斜核部。 ( 2 ) 白垩系下统灌口组( k l g ) 白垩系下统灌口组下段( k 1 9 1 ) 4 四川大学工程硕士学位论文 分布于库区及枢纽区，为棕红色、砖红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩 夹浅灰色、浅紫色页岩和泥灰岩，厚约2 5 0 m ，岩石中含石膏及钙硭硝， 石膏多呈斑点状、团块状或脉状分布于粉砂质泥岩中。钙硭硝多呈碎屑 状混杂于泥质粉砂岩中。在地表该层顺层发育有溶孔，孔径一般0 3 5 c m ，无充填。 白垩系下统灌1 ：3 组上段( k 1 9 2 ) 分布于尾水渠，下部为棕红色、紫红色中厚层钙质粉砂岩夹粉砂质 泥岩，中上部为紫红色粉砂质泥岩夹杂色页岩及泥灰岩，厚约1 5 0 m 。 粉砂岩中发育有次生溶孔，溶孔直径一般2 1 0 c m ，最大2 0 m ，洞壁 有方解石晶族或泥质粉末。 ( 3 ) 第四系堆积物( q ) 包括中更新统中期冰永堆积层( q 2 2 捌) 、中更新统晚期冰水堆积层 ( q 2 _ 3 f 銎) 、上更新统冰水堆积层( q 3 捌) 、全新统近代河流冲积层( q 4 1 a 1 ) 、 全新统现代河流冲积层( q 4 一) 、全新统坡残积层( q 尸+ d ) 、全新统崩 坡积堆积层( q 4 “+ m ) 。 2 2 3 地质构造 工程区位于川西台拗西侧的雅安凹褶束内，西北与龙门山褶皱柬相 邻，西南与扬子台褶带相接。区内经过多次构造运动，褶皱轴向主要表现 为北东向，断层的走向为北西向或北东向，分布于测区外围，测区内的主 要构造形迹有汉王背斜、天宫向斜、尖锋寺背斜、洪雅向斜和总岗山断层、 竹青关断裂、雅安一蛾边断裂等( 见图1 ) 。 枢纽区位于汉王背斜与洪雅向斜之间，工区均未发现断裂构造，边缘 断裂活动性较小，不具备发生中强地震的地震地质背景，工区主要受外围 地震波及的影响。据g b l 8 3 0 6 2 0 0 l 中国地震动参数区划图查得工程 区地震动峰值加速度为o 1 9 ，对应地震基本烈度为v i i 度。 5 四川大学工程硕士学位论文 - 丑l j t _ i 区域构造蛔要圈 2 2 4 坝区工程地质条件 坝基岩体物理地质现象以岩石风化为主，风化带厚度与岩性、构造及 地貌位置密切相关。一般山嘴及岸坡地带受侧向风化及卸荷作用的影响， 风化较厚，河床部分则强风化带较薄。根据物探声波波速及钻孔资料，枢 纽区岩体的强风化带厚一般1 - 2 m ，弱风化带厚度一般4 “m ，其结构特征 见表2 1 。 根据枢纽区钻孔声波测试：强风化带岩体和溶蚀软弱带的完整性系数 ( k v ) 为o 1 5 加3 3 ，属于较破碎岩体。弱风化带岩体完整性系数( k 、，) 为0 2 5 - - - 0 ，5 2 ，岩体属较破碎完整性差岩体。新鲜岩体完整性系数( k v ) 大部为0 4 9 , - 0 7 5 ，岩体较完整完整。覆盖层之下坝基岩体强风化带厚度 ( v p 2 4 0 0 m s ) 为o 也0 m ，弱风化与微风化或新鲜岩体的波速差异小； 坝轴线勘探孔百z k 2 号孔附近有一宽约5 0 m 低波速带，结合钻孔岩芯综 合分析，为溶孔发育地带；此外坝轴线岩体中均存在多条近水平向低波速 条带，即溶蚀软弱带。 6 四川大学工程硕士学位论文 表2 1 枢纽区岩体结构特征表 风化带 钻孔 吕荣值 纵波 风化 类 主要工程地质特征 岩体结构 厚度 r q d ( l u ) 速度 别 值 系数渗透系数 ( 1 n ) ( ) ( k ) ( m s ) 岩性为粉砂质泥岩， 棕红色，岩石结构被 6 3 x l o - 2 01 7 0 0 o 4 2 强 破坏，表部已全风化碎块状 0 o 风 呈土状，岩石中风化 9 4 x l 矿 化 裂隙呈两状发育，钻散体结构2 5 2 4 32 4 0 00 6 0 孔岩芯呈碎块状或土 c m s 状 岩性为粉砂质泥岩， 弱 棕红色浅紫红色， 碎裂 3 2 52 2 2 4 0 0 0 6 0 风 风化裂隙较发育，部 5 1 0 2 l u 化层状结构 7 4 l 6 5 3 2 0 00 8 分夹泥，裂面见褐色 浸染痕迹 岩性为粉砂质泥岩， 新 紫红色，岩石新鲜， 中厚 4 52 8 0 00 7 0 裂隙稀少、裂隙多充 层状结构 o 4 一_ 2 7 5 l u 8 l4 0 0 01 o 鲜 填有石膏膜。 坝基岩体主要为k 1 9 1 粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩和泥灰岩，据岩矿鉴 定，粉砂质泥岩中的泥质物主要为隐晶质尘状及显微细鳞片状水云母，含 量约为8 1 ；碎屑物主要为粉砂，少量细砂，含量约为7 ；碳酸盐含量 约为1 0 ，主要为方解石，部分白云石；铁质含量约为1 ，主要为浸染 状，部分不规则粒状。泥灰岩的矿物成分中方解石的含量为6 1 ，白云 石的含量为1 5 ，碎屑物含量为1 0 ，泥质物含量为1 3 ，铁质含量为 l 。 由于k 1 。1 地层中含有可溶解的石膏和硭硝，受地下水作用，岩体中溶 蚀普遍，石膏和硭硝溶蚀后在岩体中形成不规则状溶孔，溶孔的发育具不 均匀性，一般呈斑点状、团块状出现，孔径0 2 - 3 e r a ，最大2 0 e r a ，局部 四川大学工程硕士学位论文 顺层密集发育。据钻孔岩芯统计，岩芯线溶蚀率一般1 5 ，密集部位最大 可达4 3 ，岩体溶蚀后，溶孔成为地下水储存、移动的通道，根据钻孔压 水试验，岩体的透水率2 0 - 2 3 1 l u ，大部为中等透水层，部分为强透水层， 溶蚀深度和透水带深度基本一至，坝址区溶蚀带厚3 5 0 - - 6 5 o m ，河床左岸 较浅，右岸相对较深。在粉砂质泥岩中溶孔局部顺层密集发育，为坝基溶 蚀岩体中强度相对较低的溶蚀软弱带。 枢纽区岩体主要为中厚层状粉砂质泥岩，夹少量薄层状泥质粉砂岩和 泥灰岩，弱风化和新鲜粉砂质泥岩及泥灰岩的湿抗压强度分别为6 4m p a 、 8 8 m p a 和1 1 o m p a 、均属软岩，岩体中构造裂隙有两组，层面裂隙较发 育，并有溶蚀软弱带。强风化带内岩体属于较破碎岩体，岩体质量属 c v 类。弱风化带岩体属较破碎完整性差岩体，岩体质量属c w - 2 类岩体。 新鲜岩体岩体较完整。岩体质量属c - l 类岩体。 枢纽区岩( 土) 体物理力学性质指标建议数据见表2 2 。 3 毋密筮 6 鲜 置 卜 列 谣 皂 9 一 删 嚣 曾 2 墨；羹兰 羹兰姿兰 担 一 一 基世 22 耋? 詈赋蔫：6 6 倏 蜊籁j 蔫20是l 翟 袋 2 蠢甏r皇22 苫苫? 332 舍菩2 苫32 警 端 謦? 喜 苫? g苫? 善聋2 萎 tl j | 争( 。 糍 菩 22 苫答2 三 融 昌 聋条 刍 d 薹； 喜? 警 8 辖一 d 型 蠡 2 ，2 善? 莹 鼎 dtd 瘩 垃 器 - 6 耋l 薯詈? 誊堇2 鎏 蝠p 稍 倒 圣 隧 鑫 鲁 量2 誊 誊? 耋詈? 譬 誉? 蓥 螭 _ 挈峭 勺 、 尊籁 餐曦 翥晋巡 蠡 霉 寸 匠晕篓| 锚 骥匠翠罄匠簟辐鹫 翅 霎莲矩委馨捂蓉蹬萼奏器鼋永 娶q 毫 氍螺矧酃， 冀蓁藿譬薹堂卜l 罢卜g 群堙罄铡轻椎扑r郾嚣卅v弧凶舞罾 性袋晕扑书爵哩h扑k三臣 四川大学工程硕士学位论文 2 3 工程布置及主要建筑物 该电站为河床式长尾水渠电站，水库库容2 6 1 8 万m 3 ，尾水渠长 7 7 2 k m ，电站引用流量6 4 5 m 3 s ，总装机容量1 2 0 m w 。主要水工建筑物有 泄洪冲砂闸、左、右岸副坝、发电厂房、尾水渠等。 2 4 结构设计有关控制尺寸及参数 厂房坝段结构设计布置及尺寸参数见图2 1 ，主厂房结构从上至下 为： 发电机层v 4 6 4 6 6 8 m 水轮机层v 4 5 7 1 6 8 m 涡壳层v 4 4 5 5 5 8 m 厂房坝段采用c 2 0 常态混凝土，钢筋采用i i 级钢。 附图2 1 百花雄电站主厂房横割面困 1 0 四川大学工程硕士学位论文 第三章坝基变形及稳定性有限元分析原理 3 1 混凝土开裂和钢筋受力状态判据 本次研究对混凝土采用许用应力法和i 型裂纹开裂判据进行。 依照规范，混凝土许用拉应力o t = 1 5 m p a 。 对图4 0 9 所示裂纹，由断裂力学可知： k i = 1 1 2 1 5 磊 ( 3 一1 ) 其中k i ：应力强度因子，单位i v i p a m 坦； o ：裂纹当地应力，单位 l p a ； a ：裂纹深度，单位m 。 尾水管裂缝的应力强度因子k i 应小于混凝土开裂的临界应力强度因 子k 虻。根据文献，本次研究取k l c = 0 7l v i p a m m 。 钢筋的应力状态由许用应力法判断，参数参见4 3 节表4 1 。 3 2 非线性有限元基本理论及计算方法 3 2 1 非线性问题的引入 在线性弹性力学中，都采用了如下基本假定伽。 ( 1 ) 假定物体是连续的，即物体被介质所填满。 ( 2 ) 假定物体是完全弹性的，也就是假定物体完全服从虎克定律。 ( 3 ) 假定物体是均匀的，也就是物体是同一种材料所组成。 ( 4 ) 假定物体是各向同性的，即是物体内一点的弹性在所有各个方 向相同。 ( 5 ) 假定位移和形变是微小的。 在满足上述假定的线弹性问题中，反映应变、位移之间关系的几何方 程和反映应力、应变之间关系的本构方程都是完全线性的。 四川大学工程硕士学位论文 厂 一 6 t ) 钉书针 0 ) 丰絮 佥正 一lb 1一b 2l b ) 轮胎 f f 图3 1 非线性结构问题的几个例子 上述线性问题得到了广泛的应用，但是实际工程中存在大量的非线性 问题。在日常生活中，会经常遇到结构非线性的问题。例如，用钉书针钉 书，书钉将永久地弯曲成一个不同的形状( 图3 1 ( a ) ) 。如果在一个木架 上放置重物，随着时间的迁移它将越来越下垂( 图3 1 ( b ) ) 。当在汽车或 卡车上装货时，它的轮胎和下面路面间接触状态将随货物重量的变化而变 化( 图3 1 ( c ) ) 。根据上述例子的载荷变形曲线可以看出非线性结构的基 本特征：变化的结构刚性。 以固体力学为例，主要存在下列三类非线性力学问题删。 ( 1 ) 物理非线性问题。 也即是材料非线性问题。材料的应力与应变关系不呈线性比例的关系， 但反映位移与应变之间关系的几何方程仍然是线性的。反映到本构方程上， 就表现为材料的弹性参数e 、p 是随应力或应交而改变的变量 ( 2 ) 几何非线性问题。 当物体的应变及位移都较大时，几何方程，即变位与位移的关系表现 为非线性。由于源源不断的工业方面的强大需求，如材料成形工艺的数值 模拟、汽车安全碰撞的仿真模拟、材料的体积成型过程模拟，大变形动态 四川大学工程硕士学位论文 几何非线性问题目前仍然处于迅速发展的过程，这一领域也代表着有限元 分析的最高水平1 。 ( 3 ) 接触问题( 边界非线性问题) 。 材料非线性问题、几何非线性问题以及双重非线性问题( 如橡胶类物 体的有限元分析) 都有一个共同的特点：刚度矩阵与待求的节点位移有关。 而在接触问题中，节点荷载与待求的节点位移有关。接触体的变形和接触 边界的摩擦作用使得部分边界条件随加载过程而变。 3 2 2 混凝土弹塑性本构关系嘲口1 瞰1 嘲咖咖嘲 混凝土一般具有高抗压、低抗拉和抗剪的特性，其应力应变关系呈 现复杂的的非线性特征。在荷载作用下材料非线性、几何非线性问题都是 不可避免的同时存在的，但几何非线性的研究较为复杂，对混凝土体材料 来说，一般采用材料非线性有限元方法进行计算和分析工作。 材料非线性从总体特征上有可以分为两种类型，一种是非线性弹性， 如图3 2 所示，应变仅随应力的大小而改变，而与加荷的应力路径无关， 是可逆的过程。另一种是非线性弹塑性，如图3 3 所示，对于非线性弹塑 性材料，其变形不仅与荷载的大小有关，而且还与加载的应力路径有关， 是非可逆的过程。混凝土体类材料的应力应变关系表现出强烈的非线性弹 塑性特征。我们通常把混凝土看作是弹塑性材料，达到屈服极限之前近似 的看成线弹性，达到屈服极限之后则显示出一定的塑性。 图3 2非线性弹性图3 3 非线性弹塑性 四川大学工程硕士学位论文 3 2 2 1 弹性模型 当岩体材料处于弹性状况时候，有下列本构关系： 盯 = 【盯， 盯y 盯： f 可f 芦f 矗 = d 明 o 应变硬化，a - 采 i 娃 心 地 9。+o卜野 四川大学工程硕士学位论文 图4 0 7 3 。机尾水管右孔横向剖面下垂变位图( 坝下0 + 5 3 4 m ) o n 叫下剧 。#*馏映斟盘*咿晕裂碹。露器 ， 、 刨 躺 出 赢 呵 工 | 逗 趔 蕊 一 州 电。 丑i 逛 - - 鼎 抖 最 t l 划 卵 楚 鼍兮+。卜野 四川大学工程硕士学位论文 - _ _ _ 一一 图4 - 0 83 4 机尾水管右孔横向剖面下垂变位图( 坝下0 + 5 5 o n ) g 高po n 寸可例 。盎*瑚墨蛰锹基*审辑畔姬。器骞 趔 稍 暹 强 躞 - r 键 鹫 番 盘 怀 螂 工 丑 型 _ ? 蟊 一 斜 墨承 - t l 姓 心 世 ， 、 o兮+o卜番 四川大学工程硕士学位论文 圈4 一呻尾水管下垂段裂缝局部有限元计算网格圈 图4 1 0 4 一1 2 绘出了整体有限元三维网格立体图及坝体不同视角 的三维立体图。 图4 1 0 百花滩电站尾水管段三维有限元计算风格图( 1 ) 四川大学工程硕士学位论文 图4 - - 11 百花滩电站尾水管段三维有限元计算网格图( 2 ) 图4 1 2 百花滩电站尾水管段三维有限元计算网格图( 3 ) 四川大学工程硕士学位论文 4 3 各类物体物理力学参数 各类物体物理力学参数计算选用值如表4 1 所示。 表4 1百花滩各类物体物理力学参数表 岩体变模泊桑容重 内摩擦角 抗剪断强度 e f 代号 ( 6 p a )比口t m 3 由( 度) f 。 ( m p a ) 砼 2 5 50 1 6 72 4 泥岩o 5o 4 0 1 9 52 2 8 o 4 20 1 8 钢筋 巾3 2 2 0 2 1 0 0 7 8 钢筋抗拉强度标准值：f , k = f p n = 3 3 5 ( m p a ) ，抗拉强度设计值： = f ，= 3 1 0 ( m p a ) ，弹性模量：e = 2 1 0 ( g p a ) 。 4 4 坝基扬压力 表4 2 所示为计算工况上下游水位，水容重y 。= 1 o f f m 3 。 表4 2 计算工况上下游水位 工况类别上游水位对应下游尾水位上下游水位差 正常蓄水工况 v 4 8 3 5 mv 4 6 0 1 9 2 m2 3 3 l m 检修工况 v 4 8 3 5 mv 4 5 7 4 9 2 m2 6 0 1 m 在上游帷幕中心线处渗透压力折减系数口。取为0 5 ，下游渗透压力折 减系数口：取为0 7 ，扬压力的计算简图如图4 1 3 。 扬压力按面力沿法向施加在厂房坝基基岩接触面上。 上访帷幕中心线 建基面 下街墒墙 图4 1 3 坝基扬压力简图 3 0 d ， ， 四川大学工程硕士学位论文 4 5 3 4 尾水管段研究方案和荷载组合 依据上述工程地质和结构特点，对本次研究的百花滩3 。尾水管段结 构变形、应力状态制定了表4 3 所示研究方案。对工程关心的3 4 尾水管 段结构变形和应力状态进行定量评价。 表4 3坝基、厂房变形及稳定性研究方案 工况 代号工况荷载组合图件 分组 上游、7 4 8 3 5 0 0 m c a s e l 正常蓄水图l - 0 1 至1 - 3 2 有下垂变下游、7 4 6 0 ，1 9 2 m 位和裂缝 上游v 4 8 3 5 0 0 m c a s e 3 检修图z - 0 1 至2 - 3 2 下游v 4 5 7 4 9 2 , 上游x 7 4 8 3 5 0 0 c a s e 4 正常蓄水图3 - 0 1 至3 - 3 2 无下垂变下游、7 4 5 0 1 9 2 m 位和裂缝 上游v 4 8 3 5 0 0 m c a s e 6 检修 图4 0 1 至4 3 2 下游x 7 4 5 7 ，4 9 2 m 计算荷载计入了混凝土自重，上下游水位和建基面扬压力。 4 。6 边界约束 由图o 一0 1 至图o 一0 4 所示，本次研究选取的计算范围是一个代表性 机组段( 3 4 机组段的尾水管段) 。为模拟上述结构特点，本次计算约束条 件按以下方式旌加： 地基部分：在所截取的研究范围，即x = o o m ，x = 4 8 5 5 m 面上；以 及z = o o m ，z = 2 7 o m 面上；以及y = 4 2 0 o m 面上均采用法向链杆约束。 结构部分：z = o o m ，z = 2 7 o m 面上采用法向链杆约束。 3 l 四川大学工程硕士学位论文 田呐1 剖面啭征节点位置示意田 田o 剖面嘴征节点位置示童盈 田o 剖面1 斟寺征节点位- 示意田 为便于叙述，图0 一0 1 至o 0 4 给出了右孔剖面6 、7 、8 和左孔剖面 1 5 的特征节点位置和编号。 四川大学工程硕士学位论文 第五章研究结果及讨论 5 1 计算条件及符号约定 无特别指明，本文约定位移指向坐标正向时为正，指向坐标负向时为 负；厂房混凝土和基岩应力以压为正，以拉为负；钢筋应力以拉为正以压 为负。 5 2 各工况下各剖面位移分布特征 工况1 4 ( c a s e i n 4 ) 坝体及坝基各特征部位节点的变位汇总于表