（水工结构工程专业论文）复杂地基上高混凝土面板堆石坝结构性态研究.pdf

摘要 摘要 结合河谷狭窄、覆盖层深厚、地质地形条件复杂的甘肃九甸峡混凝土面板堆石坝，采 用三维非线性有限元方法，深入研究了其静、动力结构性态、流变性态以及挤压边墙施工 技术模拟分析，研究总结了复杂地基上高混凝土面板堆石坝应力变形的般规律，论证了 九甸峡大坝结构设计的合理性，为设计和施工提供了理论依据。论文主要内容如下。 1 根据九甸峡混凝土面板堆石坝的实际情况，采用三维非线性有限元方法和分级加 载技术，详细模拟了该坝的施工过程和蓄水过程。获得了该坝施工期和蓄水期的坝体位移 和应力、防渗墙的应力和位移、面板的挠度和应力以及周边逢、面板逢的位移等。计算 表明，尽管九甸峡混凝土面板堆石坝坝址区地质地形条件复杂，坝址河谷狭窄，覆盖层深 厚，但坝体的应力和变形符合一般规律，数值也在设计可接受的范围之内。说明坝体设计 在技术上是合理可行的。 2 建立了九甸峡混凝土面板堆石坝挤压边墙旋工技术的有限元分析模型。计算表明， 采用挤压边墙施工技术后，竣工期和蓄水期坝体的位移和应力都有所减小，但影响不大。 面板的挠度减小，应力得到了较大改善。 3 采用广义开尔文和伯格斯两种不同的流变模型，模拟了九甸峡混凝土面板堆石坝 施工填筑过程和蓄水过程，预测运行1 0 年后坝体和短板的长期变形，比较考虑堆石料流 变和不考虑流变时坝体变形和面板挠度等的变化规律，指出了堆石体流变对坝体拱效应的 影响。 4 采用三维非线性动力有限元分析方法，建立了坝体的地震反应和地震永久变形的 分析模型。详细分析了在设计地震作用下，坝体及其接缝的地震反应特性及其一般规律， 包括加速度反应、位移反应、应力反应等。计算表明，该坝的动力反应特性和抗震稳定符 合一般规律，满足设计规范的要求，其设计是合理可行的。 关键词：混凝土面板堆石坝非线性有限元，流变模型，挤压边墙，地震反应，地震永久变形 a b s h a c t a b s t r a c t a tm ed 锄s i t eo fj i u d i a n x i ap f o e c t ，r i v e rv a l l e yi sn a r r o w ，o v e r b l l r d e n1 a y e ri st h i c k ，a n d 曲【cg e o l o 西ce n 西n e 耐n gc o n d i t i o ni sc o m p l e x 1 1 1m i st h e s i s ，b yu s eo ft l l em r c c d i l l l e n s i o n a l n o i l l i l l e a r 丘【l i t ed 咖e n tm e t h o d ，m es c 锄dd l a i i l i cs t m c n l r eb e h a v i o ro f j i u d i a n x i ac o n c r e t e f a c er o d m l ld 釉i s 咖d i e di nd e t a i l ，锄di 乜r h e 0 1 0 西c a lb e h a 、，i o ra n d 血es i 舢l a t i o no fs i d e w a l l e x 觚i o nm e 山o da r ea i i a l y z o dt o o t h e 眢e n e r a ll a wo fs 协e s sa n dd e 0 彻a t i o no f “mc o n c r e t e f a c cr o c k f i l id 咖o nm ec o m d “c a t e df b u n d a t i o ni sr e s e a r c h e da n ds u m m a r i z e d i ti s d e i n o n s 仃a t e dt i l a tm es 缸1 l c t l l r e d e s i 窖皿o f 伍ed 锄i s 姐6 0 n a l ，w h i c hp r o v i d e st l l r c d c a l f o u n d a t i o nf b fd e s i 2 皿a n dc o n s 廿枷o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o n o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot 1 1 er e a lc o n d i t i o no f j i u d i a n x i ac o n c r e t ef 如er o 幽l ld 罩哪，t h ec o i l s 仉l c t i o n p r o c e s sa n di m p o u n d m c tp r o c e s sa r es 蛔u l a t e dj n d e t a i lw i 血m e3 dn o i l l 沁a rf e m t h e s 仃e s sa n dd i s p l a c e m e n to ft l l ed a mb o d y a n t i s e e p a g ew a l l c o n c f d ef h c e ，p 谢p h e r a l o i n t ， f 犯i n gj o i n ta l l ds oo na r eo b t a i n e d ni ss h o w nm a tm es 插c s s 眦dd e f o m a t i o no ft l cd 锄a r e c o n f b m e dt 0t h e 霉e n e r a ll a w ，a n dt 1 1 l cn 砌e r i c a lv a l u ei si n l ea c c e p t d b l er 锄譬c m o u 曲t 1 1 er i v e r v a l l e yi ss l c n d e r o v e r b u r d e nl a y e ri s l i c ka i l dt h e 盛e o l o 画ce n p 血e 曲譬c o n d m o ni sc o m p l e x i t i sp r o v e dt h a t1 h ed c s i 留no f m ed a mi sm t i o n a la n df b a s i b l e 2 t h ef e ma i l a i v s i sm o d e io f s i d e w a l ic x 虹u s i o nm c 也o di se s t 曲1 i s h c d a n dm ec a l c u l “o n f e s u l t ss h o wm a tt l l es 打e s sa i l dd i s p i a o 锄e n to fm ed 锄i nb o t l lc o n s m j c t i o np e o da i l d i i i l p o l l | 1 d m e n tp e r i o di sd e c r e a s e d ，b u t 曲ei 1 1 f l u c l l c ei sl i t n ew k lt h es i d e w a l le x 加j s i o n t c c h n o l o g yi sa d o p t e d 舳dm ed e n e c t i o no f c o n c r e t ef a c ei sd e c r c a s c d ，t h e 曲s si si m p r o v e d 3 b yu s eo fm ek e l v j n 卸db 1 j 飘si t l e o l o g i c a lm o d e l ，m ec o n s 恤l c t i o np m c e s sa n d i m p o u n d l n e n tp r o c e s sa r es i m i l l 删，a n dl o n g - a g ed e f 0 n a t i o no fd 锄a n dc o n c r c t ef h c ea n c r n m i l i n gf o rt c ny e a r si sf 妇a s t e d h la d d i t i o i l t 1 1 ed e f o n a t i o no fd 锄a n dc o n c r e t ef h c e c o n s i d c r i n gt h er h e o l o 西c a lb e h a “o ro fm c ki sc o m p a r e dw i m 也eo n en o tc o n s i d e r i n gt h e r h e o l o 西c a lb 6 h a v i o la n dt 1 1 ei n n u e n c eo f r h e o l o 西c a lb e h a v i o ro na r c h i l l 2e 疏c ti sp o i n t e do u t 4 t h e 柚a l y s i sr n o d e lo fs e i s m i cr e s p o n s ea n de a i t h q u a k ei n d u c e dp 锄a n e i l td e 】5 b m a t i o n o fd a i i li se s t a b l i s h e d 淅mt h c3 一dn o r 曲1 e a rf e m t h es e i s m i cr c s d 0 n s ec h 锄c t e r i s i c 锄di t s g e n e r a ll a wo fd 锄b o d ya n di o i n ta r e 锄a l y z e di nd c t a i lu n d e r l ee 丘b c to fd e s i 厚1e a n l l q u a k e ， i f l d u d i n ga c c e l e r a h o nr e s p o n s e d i s p l a c 锄豇l tr e s p o l l s e ，s 打e s sr e s p o n s ea n ds oo n t h er e s l l l t s i n d i c a t em a tm es e i 训cr e s p o n s ec h a r a 州s t i c so f a r ec o i l f b n n e dt ot l l eg e n e r a lla _ w ，趾d m ed a r ni ss a f ew h e ns l 】_ b j e c t e dt ot h eea n ：h q u d k e d e s i p 皿c o d er e q l l j 瑚l c n t sa r es a t i s 矗c d ，a n d t h ed e s i g ni sr a d o n a l 锄df b 船i b l e k e yw o r d s ：c o n c r e t ef k er o c k f i i ld 眦；n o n l i n e a r 丘n i t ee l 锄e n tm e t h o d ； r h 。0 l o 垂cm o d d ；s i d e w a l le x 咖s i o nm e t h o d ；s e i s m i cr c s p o n s e ； e 袖q u a k ei t l d u c c dp e m l a n e 玎td e f 0 彻a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 塑望苤趁盆丝d 多年乡月2 明 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办 弹。 论文作者( 签名) ：应兰丕丝f 鱼形午乡月2 朗 第章绪论 第一章绪论 1 1 混凝土面板堆石坝的发展历程 混凝土面板堆石坝( c f r d ：c o n c r e t ef a c e dr o c k f i ld a m ) 是以堆石体为支撑结构， 并在其上游表面设计钢筋混凝土面板为防渗结构的一种堆石坝。堆石坝属于土石坝的范 畴，主要用蕤瓯锻麓臻曩躞蘸姿雾二涔禹篓嚣陵西。荔墓蓠劳曦霪磺瞎前罐雕高潮! 验佴 即啦镪枢垂奏壅甄租t 峰国斟甄臻； 瞧礁露- ，謦篓藐 5 7 1 51 22 8 5o 2 588 5 584 3 51 4 1 7 52 2 7 50 表31 3d = 5 6 、日三= 1 2 0 、h = 2 ，1 m 试验值( 丘d 口) 坡比m 各测压点高科( c 坍) lo 1216 2o2 2 1587 5 010 7 4 5l9 2 8 5l2 6 0 092 4 0 21 17 2 51 3 1 2 5 第一章绪论 大的拉应力，导致面板缝、周边缝的拉裂。应当肯定，这种定性做法在实际中是有效的， 但在设计中如何合理计入堆石流变的影响，却比较困难。一是还缺乏可靠的描述堆石流变 的模型，可供参考的资料和积累的经验不多；二是堆石的流变在室内进行试验的难度较大， 参数难以确定。面板堆石坝实测资料表明，堆石坝的变形大多在建成若干年内逐渐停止， 最终变形才趋于稳定，因此反映堆石坝的流变特性以选用随时间衰减的流变模型较为合乎 实际。 关于堆石料的流变性，纠斯托( j u s t o ) 等“在进行马丁贡莎罗维面板坝的有限元分 析中，通过增加约2 0 坝体自重的荷载来模拟堆石的流变性，但未见不计入流变效应的对 比分析结果。凯亥里德( k h a l i d ，s ) 等”“在面板堆石坝的有限元分析中，曾经按四种不 同的方法计入堆石的流变效应，但相应的结果未见详细报道，只是在文献中定性说明了计 入堆石流变的结果要优于未计入流变的结果。沈风生等1 采用三元件粘弹塑性模型 ( m e r c h a n t 模型) 在对天生桥面板堆石坝进行平面有限元应力应变分析时作了如下假定： 堆石体的流变体积应变只有体积力引起，而对于偏应力( 包括剪应力) 只引起体积不变的 流变变形。其计算结果表明，不计入堆石流变，面板下部拉应力区的高度为坝高的2 5 ， 计入堆石流变后，面板下部拉应力区的高度为坝高的9 5 ，而且面板挠度在定性上也比 不计入堆石流变特性时要合理一些。沈珠江等”4 “”从已有的坝顶沉降资料入手，假定沉 降量的一半是堆石流变的结果，尽管此数值并不大，但如果面板端部在竣工时已经压紧， 则流变将使面板中压应力继续增大而破碎。在结合室内试验成果的基础上，提出了反映堆 石流变特性的三参数模型，并通过几座坝的观测资料进行反馈分析，得出软岩、中硬岩、 硬岩和砂卵石的流变参数值。河海大学王勇“”在殷宗泽教授双屈服面模型基础上，用双 曲线经验公式模拟堆石体的流变特性，并把堆石的体积流变和剪切流变分别引入到硬化参 数中进行面板堆石坝的分析，引用塞沙那坝的观测资料进行反馈分析以确定有关参数，然 后将其用于面板堆石坝的分析中。郭兴文、王德信等“建议了一个堆石料流变模型，给 出了有限元求解方法，并对水布垭面板堆石坝进行了考虑堆石流变的应力应变分析，表明 堆石流变性对结构的性态会有比较大的影响，特别是对面板的应力状态影响很大。指出对 分期浇筑面板、分期蓄水的大型面板堆石坝，考虑施工期堆石的流变性是必要的。方维风 等“进行室内试验，结合公伯峡混凝土面板堆石坝，提出了一个能够反映堆石长期变形 特性，并易于通过反馈分析方法确定参数的七参数堆石流变模型。 研究堆石流变性能主要有三个途径“：一种是理论方法，采用力学元件分别描述弹 性、塑性和粘性，这些元件组合成为流变模型。为了实际工程的应用，模型不能太复杂， 数学表达要力求简单，模型参数通过实验方便测出，同时又有足够的精度，所得结果符合 实测规律。二是通过已建工程的观测资料的反分析，在宏观上得出描述堆石流变的某种规 律和参数，进而类比分析其他工程。三是根据室内实验，研究堆石的流变性质，得出相关 规律和参数，从而建立堆石的流变模型。 面板堆石坝的结构分析中，考虑堆石流变特性的研究工作目前进展比较缓慢，其主要 第一章绪论 大的拉应力，导致面板缝、周边缝的拉裂。应当肯定，这种定性做法在实际中是有效的， 但在设计中如何合理计入堆石流变的影响，却比较困难。一是还缺乏可靠的描述堆石流变 的模型，可供参考的资料和积累的经验不多；二是堆石的流变在室内进行试验的难度较大， 参数难以确定。面板堆石坝实测资料表明，堆石坝的变形大多在建成若干年内逐渐停止， 最终变形才趋于稳定，因此反映堆石坝的流变特性以选用随时间衰减的流变模型较为合乎 实际。 关于堆石料的流变性，纠斯托( j u s t o ) 等“在进行马丁贡莎罗维面板坝的有限元分 析中，通过增加约2 0 坝体自重的荷载来模拟堆石的流变性，但未见不计入流变效应的对 比分析结果。凯亥里德( k h a l i d ，s ) 等”“在面板堆石坝的有限元分析中，曾经按四种不 同的方法计入堆石的流变效应，但相应的结果未见详细报道，只是在文献中定性说明了计 入堆石流变的结果要优于未计入流变的结果。沈风生等1 采用三元件粘弹塑性模型 ( m e r c h a n t 模型) 在对天生桥面板堆石坝进行平面有限元应力应变分析时作了如下假定： 堆石体的流变体积应变只有体积力引起，而对于偏应力( 包括剪应力) 只引起体积不变的 流变变形。其计算结果表明，不计入堆石流变，面板下部拉应力区的高度为坝高的2 5 ， 计入堆石流变后，面板下部拉应力区的高度为坝高的9 5 ，而且面板挠度在定性上也比 不计入堆石流变特性时要合理一些。沈珠江等”4 “”从已有的坝顶沉降资料入手，假定沉 降量的一半是堆石流变的结果，尽管此数值并不大，但如果面板端部在竣工时已经压紧， 则流变将使面板中压应力继续增大而破碎。在结合室内试验成果的基础上，提出了反映堆 石流变特性的三参数模型，并通过几座坝的观测资料进行反馈分析，得出软岩、中硬岩、 硬岩和砂卵石的流变参数值。河海大学王勇“”在殷宗泽教授双屈服面模型基础上，用双 曲线经验公式模拟堆石体的流变特性，并把堆石的体积流变和剪切流变分别引入到硬化参 数中进行面板堆石坝的分析，引用塞沙那坝的观测资料进行反馈分析以确定有关参数，然 后将其用于面板堆石坝的分析中。郭兴文、王德信等“建议了一个堆石料流变模型，给 出了有限元求解方法，并对水布垭面板堆石坝进行了考虑堆石流变的应力应变分析，表明 堆石流变性对结构的性态会有比较大的影响，特别是对面板的应力状态影响很大。指出对 分期浇筑面板、分期蓄水的大型面板堆石坝，考虑施工期堆石的流变性是必要的。方维风 等“进行室内试验，结合公伯峡混凝土面板堆石坝，提出了一个能够反映堆石长期变形 特性，并易于通过反馈分析方法确定参数的七参数堆石流变模型。 研究堆石流变性能主要有三个途径“：一种是理论方法，采用力学元件分别描述弹 性、塑性和粘性，这些元件组合成为流变模型。为了实际工程的应用，模型不能太复杂， 数学表达要力求简单，模型参数通过实验方便测出，同时又有足够的精度，所得结果符合 实测规律。二是通过已建工程的观测资料的反分析，在宏观上得出描述堆石流变的某种规 律和参数，进而类比分析其他工程。三是根据室内实验，研究堆石的流变性质，得出相关 规律和参数，从而建立堆石的流变模型。 面板堆石坝的结构分析中，考虑堆石流变特性的研究工作目前进展比较缓慢，其主要 w 海人学坝j j 学位论文 取顶层管袋管袋底上抬波压力来进行分析，将表3 2 5 中板底高程为2 2 蜊处的上抬 波压力数据绘成图3 1 7 图3 2 0 。 o7 - - 06 。 0 5 名 量04 积 出03 鲻 o 2 o 1 0 。 0 o 5 0 4 5 0 4 03 5 重o 。 蓉02 5 冀呲 o15 01 0 0 5 o 名 荸 暇 出 鲻 o 第一章绪论 图卜2桩号坝横o+05850剖面图 图1 3 桩号坝横0 + 1 0 9 g o 剖面图趾板与混凝土防渗墙的连接采用柔性连接方式。柔性对接方式，在防渗墙与趾板之间 设置连接板，连接板同趾板直接浇筑在覆盖层上。防渗墙厚度为1om，并连接板长4m。防渗墙柔性连接布置图如图1 4 所示。 河海大学硕士学位毕业论文 1 3 2 工程地质 图卜4 防渗墙柔性连接布置图 九甸峡峡谷段位于近东西向展布的新堡力士山复背斜北外侧翼，岩层总体走向为近 东西向、倾向北、倾角5 0 。1 5 。，但发育分布着平缓的向斜背斜向斜连续褶曲。 峡谷内，断裂极为发育，根据其走向方位，大致可分为四组：近东西向逆断层；北西 向断层；北东向断层；近南北或北北东向平移断层。 上坝址河道顺直，谷底宽4 0 5 0 m ，右岸相对较缓，发育i i i 级侵蚀堆积阶地，基座面 高度2 5 3 0 m 、宽度7 0 9 0 m ，上覆盖厚l o 6 0 m 的松散堆积物，其后为5 0 。崖坡至引 洮平台。左岸陡峻，为8 0 。的基岩陡壁，高度4 0 8 0 m 左右，局部凹进形成负坡，再往e 为 4 旷巧5 。较缓的基岩或薄层堆积覆盖的山坡。根据河心钻孔揭示，左岸边有宽1 5 2 0 m 的 河床深槽发育，最大深度5 4 5 6 m 。 下坝址河谷平面展布曲折，像不对称的葫芦形，南北谷壁陡立，河床束窄，中问谷坡 向两边凹进，河谷相对开阔。右岸谷坡呈簸箕状( 向岸里凹进) ，上部岩石边坡4 0 5 0 。， 下部坡积和人工堆积的边坡仅2 0 3 0 。左岸边坡陡峭，下部沿裂隙塌落凹进，上部岩 石形成负坡，呈九j 形坡的基岩陡壁高出河面3 0 0 4 0 0 m ，在陡壁下沿河边发育了高出河 水面3 0 4 0 m 、宽1 5 2 0 m 的松散堆积斜坡，斜坡坡度3 0 4 0 。 坝址出露的厚层块状灰岩抗风化能力强，无强风化带，表层为弱微风化；下坝址分 布的泥炭质灰岩抗风化能力差，表层多风化成碎片状，呈现强风化的特征，这类岩石边坡 第一章绪论 1 3 3 论文的主要工作 本论文研究的主要内容为九甸峡混凝土面板堆石坝的静、动力应力变形特性、以及长 期变形特性。主要工作如下。 ( 1 ) 利用有限元法，选用合理的模型，对该工程进行三维非线性静力分析。对于狭窄、 深厚覆盖层、非对称的河谷中的高面板堆石坝，其应力变形的性状直接关系到大坝结构的 安全运行。通过数值计算分析，深入研究九甸峡高混凝土面板堆石坝在施工期和蓄水运行 期的应力、变形分布规律，以及面板周边缝的变形特点。论证坝体结构设计的合理性，利 用收集到的国内外已建此类工程的有关资料与本文的计算结果类比论证，以评价本文计算 成果的合理性。 ( 2 ) 研究挤压边墙旌工方法在本工程中使用的可行性，评价其对面板受力的影响。 ( 3 ) 对大坝进行流变分析，重点研究窄深河槽坝体变形随时间增长的变化规律，以及 拱效应发生的可能性等。采用不同的流变模型得到的流变变形也不同，即使采用同一个流 变模型，不同的流变参数也会导致不同的流变计算结果。由于缺乏九甸峡坝体堆石料的流 变参数，本文通过分析对比不同工程的观测资料和计算分析结果，预估九甸峡大坝在考虑 堆石体流变后，坝体可能的流变变形量以及面板变形和应力、周边缝和面板缝变形等变化 趋势。本文分别采用广义开尔文模型和伯格斯模型进行对比计算，研究坝体流变对面板、 周边缝、面板缝等的影响。 ( 4 ) 根据九甸峡面板堆石坝的地形地质特点，采用三维非线性动力有限元分析方法， 建立坝体的地震反应和地震永久变形的分析模型。详细分析在设计地震作用下，坝体及其 接缝的地震反应特性及其一般规律，包括加速度反应、位移反应、应力反应等。根据计算 分析成果，对该坝的抗震措施提出建议。 第二章有限元计算原理及方法 第二章有限元计算原理及方法 2 1 静力分析方法 按位移求解时，非线性有限元法的基本平衡方程是 瞄( “) 】印) = 冰) ( 2 1 1 ) 式中 【足( ”) 1 _ 整体劲度矩阵；如) 结点位移列阵；( 彤结点荷载列阵。 该方程采用增量初应变法迭代求解，其基本平衡方程式是 陋】( “) = 母+ r ) ( 2 1 - 2 ) 式中 衄) 结点位移增量列阵；( 彤结点荷载增量列阵； ) 初应变的 等效结点荷载列阵。 计算时采用中点增量法，以提高迭代计算精度。计算程序中设置了线弹性模型、非线 性弹性模型( 邓肯一张e v 模型和邓肯一张e b 模型) 、非线性接触面模型、接缝模型 等，以便较好地模拟面板堆石坝中的各种材料和构造。有限元的基本单元采用八结点六面 体单元，填充单元包括六结点五面体单元和四结点四面体单元两种。接触面采用g o o d m a i l 单元，包括八结点六面体无厚度接触面单元和六结点五面体无厚度接触面单元两种，分别 对应于基本单元和填充单元。按缝单元采用无厚度无宽度的八结点六面体单元。 对于不同的坝体材料，其应力应变特性是不同的，须采用不同的本构模型。 ( 1 ) 堆石体及覆盖层 堆石体材料( 包括坝基覆盖层) 采用常用的非线性邓肯一张( e b ) 模型，以静三 轴试验成果为例，主要计算公式如下。 切线弹性模量： ，、“ 巨= 矗。( 1 一r r s ) z f ! ll ( 2 1 3 ) l p 。 切线泊松比： 切线体积模量 _ 2 e ：_ ：藕亘v f 2 咋+ ( y ，一y i ) s ( 2 - 1 4 ) 卸荷或再加荷弹性模量： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 、，j， 割封接唔 五 ， 1 世 一 墨 ：， 河海大学硕士学位毕业论文 生与此应变势引起的应变相同的实际应变，就设法在有限元网格结点上施加一种等效静结 点力，然后以此等效静结点力作为荷臻鲤登裂繇篷轰妻蓬器，群王善霎羹疆嘶囊；攀茹囊 琴爨磐器鏊囊冀， 爨篓鎏琵蓁添埋魏嚣魏然豫麓瑟反圆泛垮斑强嚣蕊黧黯雪暮受琵睡；囊萋 鬟缆瓣拍囊藐签瑚鬟萋篓篓薹薹霞睦舞登箔j 陈笼聋藩澎司圆蛰拜羿端配鞫羁也甜戮1710 21 1 30 9 6 25o 9 8o 6 91 0 30 6 21 1 40 9 81 1 lo 9 4 表3 3 6 d c = 2 4 c m 各工况的安全系数 坡比m d = 2 0 c m d = 1 8 c m | v 上= l 2 0h 工= 1 2 5= 1 2 0上= 1 2 5 h i h 、h h h ， 12 511 10 9 21 0 908 811 5o 9 61 0 70 8 6 1 50 9 60 7 20 8 9o 6 8 河海大学硕士学位毕业论文 ( m a x w e l l ) 模型串联而成，具四个可调参数，可以较好地反映岩土体第三期蠕变以前的变 形。 亭 盯 ；一 图2 一l 伯格斯模型示意图 在三维应力状态下，开尔文模型和马克思威尔模型的本构关系均可分为两部分：其一 是球应力的弹性本构关系；其二是偏应力的粘性本构关系。前者可用虎克定律描述，后者 可以如下描述。 开尔文模型的偏应力的本构关系为 驴2 g 向均。等 ；爹一3 1 ) 式中g l 、延迟剪切模量和剪切粘滞系数；s f 偏应力张量s f = 一盯。毛；8 雌 开尔文模型的偏应变张量，e = s 一占。毛；应力张量，= 盯。；占 开尔文模型的应变张量，e 。f = s 叫；岛k r o n e c k e r d e ；a 函数。 求解式( 2 3 - 1 ) 可得 。= b 。+ 去l 鲁。i i i i 一鲁； l c z 粤z ， 式中8 。t 2 t 。时开尔文模型的初始偏应变。 马克思威尔模型的偏应力的本构关系为 击+ 击驴警 心删 2 g 出2 叩。 出 、 。 式中g 0 、刁 i ；弹性剪切模量和剪切粘滞系数； 勺。马克思威尔模型的偏应变张 量，e 州= 白，。一s 。气：s 马克思威尔模型的应变张量，占。= ；s 州 求解式( 2 - 3 3 ) 可得 ”一删+ 击+ 击如出 枷 式中e 。t = t 。时马克思威尔模型的初始偏应变。 将式( 2 3 2 ) 和式l 3 4 ) 相加，便可得伯格斯模型的偏应变。特殊情况，当2 s 口。为常 第二章有限元计算原理及方法 量时，伯格斯模型的偏应变为 铲龟一愕。) 十爰 f o ) 卜一杀。， ( 2 3 5 ) ( 2 )广义开尔文模型 描述坝体堆石变形的时间效应，可采用由n 个( n = 2 ) 开尔文模型串联的广义开尔文模 型，如图2 2 所示。 浚模型的应变是初始弹性应变与各开尔文模型的应变之和。由式( 2 3 2 ) ，并取 = 为常量，可得广义开尔文模型的偏应变如下 勺= 茜+ 薹一。唧l _ 凳o _ ) + 轰 ，一唧 _ 鲁o _ ) c z 。印 盯 e le 2 2 3 2 有限元计算方法 例2 2 广义开尔文模型示意图 盯 j 一 大坝施工和运行期间，外荷载变化很复杂，如坝基开挖、坝体填筑、蓄水等等。因此， 需要用增量初应变法来求解该粘弹性问题。 ( 1 ) 基本方程 首先将外荷载分级。对于每一级荷载，将粘性应变视为初应变，则其非线性的增量本 构关系可表示为 a 仃 = 【d m s ) - s ，j ) ( 2 3 7 ) 式中 a _ 一应力增量， 盯 = 【盯， 吒仃：r 。 f 。f 。】7 ； 砖应 变增量， 占) = s 。 g ，f 。，。，。，。1 7 ； 唧卜一粘性应变增量：| d 卜 一弹性矩阵。 由此可导出增量初应变法的基本平衡方程如下 医舡 = 衄 + 地，) ( 2 3 8 ) 0 嚷一 一 。l 剧 xe 河海大学硕士学位毕业论文 式中 “卜一结点位移增量； 姐 该级荷载增量； r ，) 初应变的等效结点荷载增 量，由下式计算 地， ：。时【d k 唧泗 ( 2 3 - 9 ) 式中n c 单元体积；陋卜一几何矩阵。 ( 2 )粘性应变增量的计算 一般可认为泊松比随时间的变化很小，因此，可以认为粘性变形的泊松比等于瞬时弹 性变形的泊松比。 设时刻，开尔文模型和马克思威尔模型的粘性应变分别为忙 。和扛，。 。，令 f ：f 。+ 出，且在出时间增量内，应力保持不变，则对式( 2 3 5 ) 稍作改写并采用拉伸或压 缩模量及粘滞系数，便可得伯格斯模型的粘性应变增量 引。= j 一c x p ( 一鲁出 l 去【c ) _ k + 券 c z 。， 式中致、叩。、拉伸或压缩模量和粘滞系数； c 】泊松比矩阵，即 【c 】= 1 一口1对 一一l 称 ooo 2 ( 1 + ) oooo 2 ( 1 + ) oooo o 2 ( 1 + ) 同样，对式( 2 - 3 6 ) 稍作改写，并采用拉伸或压缩模量及粘滞系数，可得广义开尔文模 型的粘性应变增量 = 扯d 案出她川屯) f 0 叫- ， 2 4 本章小结 本章简要介绍了混凝土面板堆石坝非线性有限元分析的基本理论和计算方法，包括非 线性静力有限元分析方法和邓肯一张模型的基本公式、动力有限元的分析方法和抗震稳定 分析的主要公式以及流变分析的伯格斯模型和广义开尔文模型及其有限元计算公式等。 第三章三维非线性有限元分析 第三章三维非线性有限元分析 本章根据九甸峡混凝土面板堆石坝实际情况，建立三维有限元模型，采用邓肯张模型 对该坝进行静力计算分析、并将计算成果与类似工程进行对比分析。 3 1 有限元模型 3 1 1 计算模型 计算坐标系规定为：x 轴为顺河向，指向下游，取坝轴线为x 轴零点；y 轴为坝轴线 向( 横河向) ，指向左岸；z 轴为垂直向，指向上方，与高程一致。 面板的宽度为1 2 m ，在岸边陡坡附近为6 m 。根据面板的宽度切取断面，离散后，防 渗墙柔性连接方案结点总数是5 0 0 0 ，单元总数是4 6 9 7 ，包括面板和垫层之间的接触面单 元、防渗墙与覆盖层之间的接触面单元，面板和趾板之间的周边缝接缝单元，面板之间的 接缝单元，趾板与连接板之间的接缝单元，连接板与防渗墙之间的接缝单元。另外，计算 模型也包括了河床覆盖层下l o m 左右的弱风化基岩。为了分析防渗墙上下游两侧的应力状 态，沿厚度方向，防渗墙被剖分成两层单元。坝体有限元网格如图3 1 所示。 图3 一l 三维有限元网格 河海大学硕士学位毕业论文 3 1 2 荷载允级 采用分级加载，以模拟坝体的填筑上升和浇筑面板等施工过程以及蓄水过程。整个坝 体( 包括河床覆盖层) 施工分为1 6 期：第一期“填筑”覆盖层至2 0 7 1 0 0 m 高程，第二期 坝体填筑至2 0 8 1 ，3 0 m 高程，第三期坝体填筑至2 0 9 3 3 0 m 高程，第四期坝体填筑至2 1 0 5 0 0 r n 高程，以后至第十一期各期坝体均填筑上升1 0 m ，第十二期坝体填筑至2 1 8 1 4 0 m 高程， 第十三期坝体填筑至2 1 8 8 5 0 m 高程，第十四期坝体填筑至2 1 9 5 0 0 m 高程，第十五期坝体 填筑至2 2 0 5 3 0 m 设计高程，第十六期浇筑混凝土面板。蓄水过程分为8 个荷载级：第一 级蓄至水位2 0 9 2 0 0 m ，第二级蓄至水位2 1 1 2 0 0 m ，第三级蓄至水位2 1 3 2 0 0 r n ，第四级蓄 至水位2 1 5 0 0 0 m 。第五级蓄至死水位2 1 6 6 0 0 m ，第六级蓄至水位2 1 8 6 0 0 m ，第七级蓄至 正常蓄水位2 2 0 2 0 0 t m 第八级蓄至校核洪水位2 2 0 5 1 l m 。每一荷载级分1 0 次加载，每次 加载率为0 1 ，以便较好地模拟加载过程。 3 1 3 计算参数 ( 1 ) 堆石料本构模型 坝体堆石料采用邓肯一张( e b ) 模型，采用设计参数进行计算，如表3 1 所示。 表3 - 1 坝料的邓肯一张模型( e b ) 参数 土料 p o 置 n r ，蚝 m ，1 0 q - m o k 。 o o 垫层2 2 3 45 8 11 7 5 0o 4 30 7 6 81 2 0 00 4 11 4 52 2 5 0 0 过渡料 2 2 0 55 4 11 5 0 0o 5 50 9 0 71 2 5 0o1 0 52 1 5 0 o 主堆区2 1 5 65 0 91 4 0 0o 5 30 9 1 91 0 0 0o8 52 0 5 0 0 次堆区2 1 5 65 0 91 4 0 00 5 3 o 9 1 9 1 0 0 008 51 7 5 0 0 砂砾石2 0 4 84 6 47 0 0o 3 10 7 9 82 1 0o 2 85 81 5 0 0 0 ( 2 ) 混凝土材料参数 y = 2 4 0 k n m 3 ，e = 2 0 x 1 0 7 k p a ，t = 0 1 6 7 ( 3 ) 接触面参数 毛2 4 5 0 0 ，n = 0 6 5 ，耳2 0 7 4 ，j = 4 5 。 ( 4 ) 接缝连接单元参数 接缝参数采用河海大学的试验成果。 第三章三维非线性有限元分析 3 2 有限元计算成果 三维计算分析整理了0 + 0 5 8 5 0 、0 + 1 1 8 5 0 两个断面的计算结果。计算结果包括堆石体 的应力和位移，面板的应力和位移，防渗墙的应力和位移，面板缝和周边缝的位移等。坝 体、面板、防渗墙、周边缝、面板缝等位移和应力的最大值最小值主要成果汇总表如表 3 - 2 所示。限于篇幅，仅给出0 + 0 5 8 5 0 断面的应力及位移分布图。 表3 - 2 三维计算分析结果汇总 项目 竣工期蓄水期 向上游一4 2 72 3 2 顺河向水平位移 堆石体位移，向下游4 2 14 6 3 m m 坝轴线向水平位移向左岸1 9 42 0 3 垂直位移向下一7 2 7 7 3 1 第一主应力压应力1 9 3 52 0 5 8 堆石体应力，k p a第二主应力压应力7 9 81 0 7 1 第三主应力压应力7 1 28 4 0 垂直面板向向坝内3 5 5 面板位移，m m 向左岸3 8 坝轴线向 向右岸 - 4 0 压应力5 8 7 4 顺坡向 拉应力1 6 8 1 面板应力，k p a 压应力3 2 8 9 坝轴线向 拉应力一9 7 5 顺坡向剪切2 6 面板缝变形，m m垂直面板剪切2 5 拉伸，压缩1 8 2 4 顺缝向剪切2 5 周边缝变形，m m 垂直缝向剪切4 3 拉伸压缩6 1 无 防渗墙位移，m r n水平顺河向位移向下游1 56 0 第主应力雎比力2 9 3 11 2 2 1 9 防渗墙应力，k p a 压应力2 5 1 26 7 0 8 垂直正应力 拉应力 2 4 5 34 6 8 0 河海大学硕士学位毕业论文 3 2 1 坝体 ( 1 ) 坝体位移 坝体最大沉降都发生在河床最深处约1 3 坝高( 包括覆盖层厚度) 偏上部位。竣工期， 坝体的最大垂直位移( 沉降) 为7 2 7 m m ，约占晟大坝高( 包括覆盖层厚度) 的0 4 2 ；顺 河向指向上游的最大水平位移为4 2 7 m m ，指向下游的最大水平位移为4 2 1 m r n ；沿坝轴线 方向的最大水平位移为1 9 4 m m ，方向指向左岸。蓄水期，坝体的最大垂直位移( 沉降) 为 一7 3 1 m m ，约占最大坝高( 包括河床覆盖层厚度) 的0 4 2 ；顺河向指向上游的最大水平位 移为2 3 2 m m ，指向下游的最大水平位移为4 6 3 m m ；沿坝轴线方向的最大水平位移为 2 0 3 r a m ，方向指向左岸。坝体位移分布图如图3 3 和3 - 4 所示。坝轴线剖面位移分布如图 3 5 和3 - 6 所示。 ( a ) 上下游向水平位移m m ( b )坝轴线向水平位移，哪 ( c ) 垂直位移，m i l l 图3 30 + 0 5 8 5 0 断面竣工期位移分布 第三章三维非线性有限元分析 ( a ) 上下游向水平位移，r a i n ( b ) 坝轴线向水平位移，m i l l ( c ) 垂直位移，r n n 图3 。40 0 5 8 5 0 断面蓠东期 口移分靠 河海大学硕士学位毕业论文 ( c ) 垂直位移，m m 图3 - 5 竣工期坝轴线剖面的位移分布 第三章三维非线性有限元分析 ( c ) 垂直位移，m i i l 图3 - 6 蓄水期坝轴线剂面的位移分布 河海大学硕士学位毕业沦文 ( 2 ) 坝体应力 坝体最大应力均发生在l 2 坝高偏下坝体中央( 坝轴线) 附近。竣工期，坝体的最大 第一主应力为1 9 3 5 k p a ，最大第三主应力为7 1 2 k p a 。蓄水期，坝体的最大第一主应力为 2 0 5 8 k p a ，最大第三主应力为8 4 0 k p a 。从应力水平分布来看，坝体各断面的应力水平均不 高，在0 3 o 8 范围内，坝体内没有出现明显的剪切破坏区，表明坝体在目前荷载情况下 是稳定的。 从竣工期坝体应力分布看，由于河谷狭窄，坝体拱效应较为明显。坝底中央( 坝轴线) 附近的主应力约为l1 6 4 k p a ，仅为该处土柱重量的4 0 。河床覆盖层底部坝轴线附近的第一 主应力约为1 0 8 1 k p a ，仅为该处土柱重量的3 7 。坝体应力分布图如图3 - 7 3 1 0 所示。 ( a ) 第一主应力( 5 1 ，k p a ( b ) 第二主应力0 2 ，k p a ( c ) 第三主应力0 3 ，k p a 图3 70 + 0 5 8 5 0 断面竣工期应力分布 第三章三维非线性有限元分析 图3 - 80 + 0 5 8 5 0 断面竣工期应力水平 枷f 1 0 0- r , oo5 0 ( a ) 第一主应力o l ，k p a ( b ) 第二主应力g 2 ，k p a ( c ) 第三主应力0 3 ，k p a 图3 - 90 + 0 5 8 5 0 断面蓄水期应力分布 河海大学硕士学位毕业论文 3 2 2 面板 图3 1 00 + 0 5 8 5 0 断面蓄水期应力水平 ( 1 ) 面板位移 蓄水期，面板的最大挠度( 垂直面板的法向变形) 为3 5 5 m m ，发生在河床最深处面板 的中部附近，桩号0 + 0 5 8 5 0 ，该断面上面板的挠度曲线如附图3 1 1 所示。面板的位移分布 如图3 1 3 所示，面板指向左岸的最大水平位移为3 8 r a m ，发生在右岸陡坡附近的面板底部， 面板变形沿坝轴线分布基本上是对称的。 ( 2 ) 面板应力 蓄水期，应力最大值发生在靠河床右岸面板的中下部，为5 0 2 2 k p a ，该断面上面板顺 坡向应力分布如图3 1 2 所示。蓄水期，从面板顺坝坡方向的应力分布规律来看，