（水工结构工程专业论文）抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝三维有限元分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 混凝土面板堆石坝现己成为世界上公认的一种比较经济的坝型。随着我国抽水蓄能 电站的快速发展，混凝土面板堆石坝也越来越多的被用于抽水蓄能电站。为了增加库容， 抽水蓄能电站的面板堆石坝多采用凸向库外的曲线形坝轴线，而工程实例证明，坝轴线 凸向上游对坝体结构是有利的，应尽量避免坝轴线凹向上游。因此，深入分析研究不同 形状坝轴线对坝体和面板稳定的影响，以及坝轴线凸向库外的面板堆石坝的坝体和面板 的应力应变情况尤为重要。针对这一问题，本文所做的主要工作和结论如下： l 、在已有的沈珠江双屈服面弹塑性模型有限元程序的基础上，编制了d u n c a n - c h a n g 双曲线e b 模型的三维有限元程序，并用这两种模型对规则面板堆石坝的应力变形特性 进行分析，得到结论：e b 模型和双屈服面模型计算的堆石体位移形态都比较符合实际， 但双屈服面模型计算的面板应力分布较合理。 2 、将直线型面板堆石坝改为坝轴线凸向上游和坝轴线凸向下游的拱型面板堆石坝， 通过改变坝轴线形状，进而研究坝轴线形状的改变对坝体和面板应力、变形的影响。结 果表明：坝轴线凸向上游的面板堆石坝的面板所受的轴向拉应力区域明显减小，面板的 最大拉应力也有所降低，利于混凝土面板的安全运行；坝轴线凸向下游的面板堆石坝的 面板轴向拉应力明显偏大，需要做出相应措施，以保证大坝的稳定运行。 3 、通过对西龙池下库沥青混凝土面板堆石坝( 反拱曲线型坝轴线) 的三维有限元 计算，得出坝体和面板的位移及应力分布规律。总体来看，面板堆石坝坝体和面板的变 形与应力分布规律基本合理，在一般工程经验值范围内。 关键词：抽水蓄能电站；混凝土面板堆石坝；三维有限元；直线型；拱型 抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝三维有限元分析 3 - df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fc f r du s e di n p u m p e d s t o r a g ep o w e r s t a t i o n a b s t r a c t t h ec o n c r e t ef a c e dr o c k f i l ld a m ( c i 心d ) h a sb e c o m eo n eo ft h em o s te c o n o m i c a ld a m t y p e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp u m p e d - s t o r a g ep o w e rs t a t i o n ，m o r ea n dm o r ec o n c r e t e f a c e dr o c k f i l ld a m sa r eu s e di np u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o n i no r d e rt oi n c r e a s et h e c a p a c i t yo fp u m p e d - s t o r a g ep o w e rs t a t i o n , t h ea x i so ft h ec o n c r e t ef a c e dr o c k f i l ld a mi s u s u a l l yc o n v e xt ot h eo u t s i d eo ft h er e s e r v o i r e n g i n e e r i n ge x a m p l e ss h o wt h a tt h ed a ma x i s c o n v e xt ou p s t r e a mi sf a v o r a b l et ot h ed a ms t r u c t u r e a n dt h ed a ma x i sc o n c a v et ou p s t r e a m s h o u l db ea v o i d e d t h e r e f o r e 。f u r t h e rs t u d yo ft h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n td a ma x i so nt h e s t a b i l i t yo ft h er o c k f i l la n dt h ep a n e l a n do ft h es t r e s sa n ds t r a i nc o n d i t i o no ft h er o c k f i ua n d t h ep a n e l w h i c ha x i si sc o n v e xt ot h eo u t s i d eo ft h er e s e r v o i r ，i sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t o r e s e a r c ht h i sp r o b l e m t h i sp a p e r sm a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a mo fs h e n z h u j i a n gd o u b l e y i e l d s u r f a c e e l a s t o p l a s t i cm o d e l ，t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mo fd u n c a n - c h a n gh y p e r b o l i c e bm o d e li sc o m p i l e d a n dt h et w ok i n d so fm o d e l sa r eu s e df o ra n a l y z i n gt h es t r e s sa n d d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fac f r d t h ec o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s ：t h ed i s p l a c e m e n t s h a p eo ft h er o c k f i l l 。w h i c hi s c a l c u l a t e db yt h et w ok i n d so fm o d e l s ，i sr e a l i s t i c ，b u tt h e p a n e l ss t r e s sd i s t r i b u t i o no fd o u b l ey i e l ds u r f a c ee l a s t i c p l a s t i cm o d e l i sm o r er e a s o n a b l e 2 f u r t h e rs t u d yo ft h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n td a ma x i so nt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no f t h er o c k f i l la n dt h ep a n e li sd o n eb yi n s t e a do fl i n e a rc f r d 、舫t ha r c h e d w h i c ha x i sc o n v e x t ou p s t r e a mo rc o n v e xt od o w n s t r e a m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep a n e l sa x i a lt e n s i l es t r e s s r e g i o no ft h ec f 剐d ，w h i c ha x i si sc o n v e xt ou p s t r e a m ，r e d u c e so b v i o u s l y ，a n dt h em a x i m u m t e n s i l es t r e s si nt h ep a n e lr e d u c e sa sw e l l 们1 er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ep a n e l sa x i a lt e n s i l e s t r e s so ft h ec f i t d ，w h i c ha x i si sc o n v e xt od o w n s t r e a m i so b v i o u sb i g g e r i no r d e rt oe n s u r e t h es t a b l eo p e r a t i o no ft h ed a m ，c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sn e e dt ob et a k e n 3 t h ed i s t i l b u t i o no fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so ft h ed a mb o d ya n dt h ep a n e li so b t a i n e d b v3 df i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o no fx i l o n g c h ia s p h a l tc o n c r e t ef a c e dr o c k f i l ld a m w h i c hd a m a x i si sa r c h e d o v e r a l l 。t h ed i s t r i b u t i o no fd e f o r m a t i o na n ds t r e s so ft h ed a mb o d ya n dt h e p a n e li sb a s i c a l l yr e a s o n a b l e ，a n di si ng e n e r a le n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ev a l u er a n g e k e yw o r d s ：p u m p e d s t o r a g e ；c f r d ；t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t ；l i n e a r ；a r c h e d i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 抽水蓄能电站发展简史 工业发达国家常规水电建设在二十世纪五六十年代先后处于停滞不前的地步，常规 水电发展步履维艰。随着经济发展，社会对电力的需要日益增长，而常规水电因受水能 资源的限制，往往不能成比例增长，在电网中所占比例日益减少。这就造成电力系统中 可调峰电源短缺，而低谷时又造成电流周波加大，影响送电质量。为此，抽水蓄能电站 利用电力系统后半夜低谷剩余电能抽水蓄能转换在尖峰时发电，作为水电补充得到迅速 发展。 抽水蓄能电站是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而产生的，是间接储存电能 的一种方式。它利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来， 然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。在整个运作过程中，虽然部分 能量会在转化间流失，但相比之下，使用抽水蓄能电站仍然比增建煤电发电设备来满足 高峰用电而在低谷时压荷、停机这种情况来得便宜，效益更佳【l 】。除此以外，抽水蓄能 电站还能担负调频、调相和事故备用等动态功能。因此抽水蓄能电站既是电源点，又是 电力用户，并成为电网运行管理的重要工具，是确保电网安全、经济、稳定生产的支柱。 抽水蓄能的类型，按开发方式可分为纯抽水蓄能电站、混合式抽水蓄能电站和调水 式抽水蓄能电站；按调节周期分，可分为日调节、周调节和季调节等；按水头分，可分 为高水头和中低水头；按机组类型分，可分为四机分置式、三机串联式和二机可逆式； 按布置特点分，可分为地面式、地下式和特殊布置形式( 人工地下水库) 。 1 1 1 国外抽水蓄能电站的发展情况 在国外，从最早的原始装置算起，抽水蓄能电站已有上百年的历史，但是具有近代 工程意义的设施，则是近四五十年才出现的。抽水蓄能电站建设早期的发展是以蓄水( 调 水) 为目的，是季调节型的抽水蓄能工程。从5 0 年代起，由于各国的电力系统迅速扩 大和发展，电力负荷的波动幅度不断增加，调节峰谷负荷的要求日趋迫切，遂出现了以 电网调节为主要作用的纯抽水蓄能电站和混合式抽水蓄能电站，在电力系统中担任调峰 和调频，其运行方式为日循环或周循环，抽水蓄能电站从此进入了一个新的发展阶段。 7 0 - - 8 0 年代是国外抽水蓄能电站发展最快的时期，这一时期兴建抽水蓄能电站已由欧美 日等工业发达国家扩展到世界各引2 1 。根据国外统计，全世界蓄能机组装机容量，由6 0 年代的1 2 5 0 m w 增加到7 0 年代的2 9 9 0 m w ，到8 0 年代增加为5 6 1 0 m w ，从5 0 年代算 起全世界抽水蓄能电站的容量增加了2 8 倍。各时期抽水蓄能电站增长情况见表1 1 。 抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝三维有限元分析 抽水蓄能机组在一些工业发达国家使用很多年来，获得了巨大发展，其主要原因可 能有以下几方面，这些经验对我国发展抽水蓄能电站有很好的参考价值【3 j 。 ( 1 ) 随着工业和民用耗电量的增加，电网的峰谷差越来越大，发电系统中需要大 量的调峰机组，抽水蓄能机组已经证明是各种调峰机组中经济效益最好的一种。 ( 2 ) 各国都在发展大容量火力发电机组( 燃油的机组单机容量已超过1 0 0 0 m w ， 核电机组单机容量己达1 6 0 0 m w ) ，这些巨型发电机组的调节能力都很差，需要大容量 的抽水蓄能机组与之配合使用，有些抽水蓄能电站是与核电站同时修建的。法国是个较 突出的例子，现核电发电量已超过全国的3 4 ，虽然水电也不少( 约1 5 ) ，但仍需修 建抽水蓄能电站来负担电网调节任务。 ( 3 ) 抽水蓄能机组比之其他调峰机组的优点在调峰之外还可以填充负荷的低谷， 这样就允许提高系统中火力机组所承担基荷的比重，降低对火力机组调峰容量的要求， 改善火力机组的运行条件。一些水电装机容量比较高的国家，如挪威( 9 9 ) 、巴西( 8 4 ) 、 瑞典( 5 5 ) 等，水电已占基荷中的绝大部分【4 】，但因水电机组没有填谷的功能，所以 仍需另外安装蓄能机组来调节电力负荷的波动( 有些蓄能机组是为与之联网的外国热力 机组服务的) 。 ( 4 ) 有些国家的水电资源已开发得比较充分，如法国( 7 4 ) 、瑞士( 7 2 ) 、日 本( 6 6 ) 等，不能再靠常规水电提高更多的调节容量，而抽水蓄能的发展则受水能资 源的限制较少。 表1 1 世界抽水蓄能电站增长情况 t a b 1 1t h eg r o w t hs i t u a t i o no fp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o ni nt h ew o r d 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 西方国家电力系统的运用经验证明：事故备用容量是十分重要的，只有水力 机组才能在事故发生后很短时间内发出足够功率来防止系统产生过大振荡。在没有合适 条件开发常规水电时，为增加事故备用容量就首先要考虑修建抽水蓄能电站。 ( 6 ) 多数国家的供电在一天之内不同时间价格不同，高峰时电价高，低谷时电价 低，国外高低电价比值多为( 3 4 ) ：1 ，意大利为5 ：1 ，法国曾达到1 0 ：1 。修建抽水蓄能电 站后，用低价的电力抽水，发出电来以高价售出，因之工程建设的投资可以较快收回。 有些国家利用不同季节的电价差而从抽水蓄能电站获得很大利润，如意大利、瑞士、比 利时、卢森堡等。 1 1 2 国内抽水蓄能电站的发展情况 6 0 年代后期，我国在河北省岗南水电站装设了一台引进的容量为l1 m w 的抽水蓄 能机组，运行3 0 多年来经济效果很好，但因机组容量比较小，在电力系统中的效益不 够明显。后来在北京市密云水电站安装了2 台我国仿制的岗南型机组，因为制造质量有 问题，没有发挥什么作用。自改革开放以来，全国经济逐步走向市场，水电建设也有了 很大的发展。特别是9 0 年代以来，发展进入了新的阶段。现在水电建设处于我国历史 上最好的发展时期，抽水蓄能建设也得到了应有的重视而获得初步进展。我国抽水蓄能 电站建设虽然起步较晚，但有以往大规模常规水电建设所积累的经验，加上近2 0 年来 引进的国外先进技术和管理经验，使我国抽水蓄能电站的建设能有较高的起点【5 】。我国 各种类型大型抽水蓄能电站见表1 2 。 1 9 8 0 年中期在河北潘家口水电站先后投入3 台中型抽水蓄能机组( 容量各为 9 0 m w ) 。从8 0 年代后期到9 0 年代期间，我国连续建成了3 座大型抽水蓄能电站：即 广州抽水蓄能电站一期和二期工程( 总装机8 3 0 0 m w ) ；北京十三陵抽水蓄能电站( 装 机4 2 0 0 m w ) ；天荒坪抽水蓄能电站( 装机6 3 0 0 m w ) 。其中广州抽水蓄能电站 ( 2 4 0 0 m w ) 是目前世界装机容量最大的蓄能电站。这三座电站分别对改善广东电网、 京津唐电网和华东电网的运行条件起到了重要作用f 6 】。 近几年各地也建成了一批中、小型抽水蓄能电站，如西藏羊卓雍湖( 4 2 2 5 m w ) 、 浙江溪口( 2 4 0 m w ) 、安徽响洪甸( 2 4 0 m w ) 、江苏溧阳( 2 5 0 m w ) 和湖北天 堂( 2 3 5 m w ) 等。这些蓄能电站建成后运行情况良好，有力地改善了地方电网的运 行条件。8 0 至9 0 年代，在台湾建成了明湖和明潭两座大型抽水蓄能电站，装机容量分 别为4 2 5 0 m w 和6 x 2 6 7 m w 。到1 9 9 9 年底，我国大陆已建成的抽水蓄能电站容量有 5 6 0 0 m w ，已建成抽水蓄能机组占全国总装机比重为1 9 ；其中在京津唐电网为6 o ， 华东电网3 6 ，广东电网7 9 。蓄能电站占水电装机容量的比重约为8 5 。在我国台 抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝三维有限元分析 湾建成的两座大型抽水蓄能电站，装机容量共为2 6 0 0 m w ，建成时占台湾总装机容量的 1 4 。 表1 2 我国各种类型大型抽水蓄能电站 t a b 1 2a l lt y p e so fl a r g ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o ni nc h i n a 1 2 面板堆石坝在抽水蓄能电站中的应用 1 2 1面板堆石坝的发展历程和特点 从1 8 9 5 年美国建成5 4 m 高的莫拉( m o r e n a ) 坝至今，混凝土面板堆石坝的建设与 发展已经经历了整整一个世纪。这个历程亦是面板堆石坝工程经验不断积累、不断丰富 的过程。就其整个发展过程【_ 7 】【引，一般可划分为三个阶段： ( 1 ) 自十九世纪中期至1 9 4 0 年前后为初期阶段。最初堆石坝上游防渗采用木质面 板，后来逐步过渡到采用混凝土作为防渗面板，以承受更高的水压力。由于这一阶段所 建的大多数面板堆石坝堆石区的施工都采用抛填作业，堆石体的密度较低，虽然对堆石 料要求很高，却仍得不到较高的变形模量；堆石体在自重、库水压力作用下，往往产生 较大的变形，抛填堆石坝体施工期沉降量一般为坝高的5 ，竣工后在水荷载和自重的 大连理工大学硕士学位论文 作用下的沉降量仍达到坝高的l 也。这样大的变形必然导致混凝土面板产生裂缝， 引起渗漏。由于上述问题的出现，使人们对混凝土面板堆石坝的安全可靠性产生了怀疑， 以至在以后较长一段时间内，这种坝型的发展处于停滞状态。 表1 3已建和在建坝高超过l o o m 的混凝土面板堆石坝 t a b 1 3c f r dc o n s t r u c t e da n du n d e rc o n s t r u c t i o nb e y o n d10 0 m ( 2 ) 1 9 4 0 年前后至1 9 6 5 年为过渡阶段。由于早期混凝土面板堆石坝的严重渗漏问 题，使设计者们认识到，面板裂缝导致渗漏的主要原因是混凝土面板与抛填堆石体的变 形不协调，于是人们把研究和实践的重点转移到以土料作防渗体的堆石坝上来。土料具 有一定的柔性，能适应堆石体的变形。由于这一时期土力学理论、土心墙施工、地基处 抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝三维有限元分析 理等技术的发展从而使抛填堆石土心墙坝变的比面板堆石坝安全，使得土质心墙坝和土 质斜心墙坝获得了发展和推广。1 9 4 0 年以后，混凝上面板堆石坝逐步被土质心墙坝和土 质斜心墙坝所代替。 ( 3 ) 1 9 6 5 年至今是钢筋混凝土面板堆石坝的发展阶段。采用振动碾薄层碾压堆石 作业，使堆石坝对堆石料的要求得以放宽，而堆石体的密实度和变形模量却大大提高， 坝体的变形进一步减少，面板的工作状况大为改善，从而使混凝土面板堆石坝又重新崛 起。混凝土面板堆石坝在许多或更多的可行性研究方案中，已成为一种公认的堆石坝坝 型，由于其工程量小、工期短、造价低，比粘土心墙堆石坝更为优越，在国内外正被迅 速推广和应用。 我国在本世纪八十年代中期引入混凝土面板堆石坝，与国外相比虽然起步晚2 0 年， 但是从建坝实践、技术开发和发展趋势上看，我国已经积累了丰富的经验，不论在建坝 的数量上、规模上、高度上都位居国际前列f 9 】。在我国现在己建成和在建的面板堆石坝 就有近8 0 座，据不完全统计其中坝高超过l o o m 的有1 8 座，见表1 3 。天生桥一级混凝 土面板堆石坝，高1 7 8 m ，仅低于马来西亚在建中的巴昆( 坝高2 0 5 m ) 和墨西哥己建成 的阿瓜米尔帕( 坝高1 8 7 m ) ，居世界的第三位。水布娅坝高2 3 3 m ，建成后，将超过巴 昆坝成为世界上最高的混凝土面板堆石坝。 与传统堆石坝相比，混凝土面板堆石坝具有以下特点：薄层碾压堆石、上游迎水面 薄层混凝土面板及趾板、坝料分区、多层止水等。混凝土面板堆石坝之所以能得到这样 大的发展和深入人心是由它优越的性能所决定的，主要表现在： ( 1 ) 混凝土面板堆石坝既有土石坝又有混凝土坝的优点，且克服了二者的局限性； ( 2 ) 就地取材，采用薄层振动碾压筑坝，大仓面碾压施工，坝坡较陡，坝体体积 小，节省工程量； ( 3 ) 利用混凝土面板防渗，效果好而且节省水泥，造价低廉； ( 4 ) 可利用堆石坝坝体渡汛过水，简化了施工导流及度汛措施，施工简便，缩短 工期； ( 5 ) 施工基本上不受高温及降雨等气候影响，可加快施工进度； ( 6 ) 可利用建筑开挖料，不占或少占耕地； ( 7 ) 钢筋混凝土面板位于上游堆石坡面上，便于检修维护；面板坝不会发生管涌， 也不存在防渗体和反滤料的渗漏冲蚀问题； ( 8 ) 抗震抗冻性强，安全性高，能适应恶劣的自然环境。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 当然现代面板堆石坝也有它的弱点：其一是面板对基础沉陷很敏感，故要重视坝基 沉陷的处理；其二是面板抗漂浮物冲击、抗严寒冰冻以及抗环境水侵蚀作用方面性能稍 差；其三是抗震性能稍差。 1 2 2 面板堆石坝在抽水蓄能电站中的应用 抽水蓄能电站是一种以水为能量载体将电力系统的低谷电能转换为峰荷电能的水 电站，为了完成其抽水一发电循环，必须具备上游和下游两个水库，称为上水库和下水 库。在有条件的地方应充分利用已建水库或天然湖泊作为上、下水库。如无已建水库或 无可利用的天然湖泊，或经过论证利用已建水库或天然湖泊不经济，则可选择合适的地 形建造水库。 水库由于多在山顶，故筑坝处的沟口较开阔，地质条件一般较差。土石坝往往是较 好的选择。为扩大库容而开挖的土石方以及进( 出) 水口开挖的土石方可以用来筑坝， 便于就地取材。事实上环形坝或前述的外凸曲线形坝i l o 】也只有采用土石坝坝型才比较合 适。 由收集到的资料看出，国外上下水库工程中，采用最多的坝型为土石坝，其中以沥 青混凝土面板、粘土心墙作防渗体的土石坝最多。例如日本几个主要的抽水蓄能电站的 上下水库中，几乎都采用了心墙堆石坝。这种坝既抗震性能好，又适应大幅度快速水位 的变化，所以它受到日本工程师的偏爱。美国、法国、英国采用沥青混凝土面板堆石坝 明显增多，心墙堆石坝也不少，多根据当地条件选用。混凝土面板堆石坝、混凝土坝常 见于意大利的抽水蓄能电站中。总的看来，各国在抽水蓄能电站中，选用土石坝的最多， 因为它对地基的适应能力最强。抽水蓄能电站由于经济等原因常利用已建水库、湖泊作 为下水库，在附近高处选建一上水库，所以上水库选址也常受各种因素制约，坝址库区 往往并不十分理想，而土石坝在各种坝址都能建造。 抽水蓄能电站的上下水库堆石坝中也有部分采用钢筋混凝土面板作防渗体。由于上 下水库水位大幅度周期性的变化，水压力的变化，对于混凝土面板好比一拉一压的反复 作用，对混凝土面板沉降开裂和稳定性，曾使人担心。但是，对处于这种工况下工作的 面板堆石坝的原型观测资料分析，减轻了许多不必要的疑虑，例如1 9 6 3 年建成的塔姆 萨克上水库是抛填堆石坝，坝高4 3 m ，库水位昼夜变化为2 4 m ，第一个五年期间观测沉 降值为0 3 m ，以后在第二、第三个五年期间分别为沉降只有o 1 m 、0 0 4 m 。这种沉降在 面板的允许范围内，未损坏接缝，故未产生不利影响。在1 9 6 7 年建成的卡滨溪碾压堆 石坝，坝高2 6 m ，库水位周期性的昼夜变化为2 7 m ，经1 0 年观测资料记录沉降仅为o 1 2 m ， 抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝三维有限元分析 为坝高的o 0 2 ，渗漏量未超过2 8 1 s 。抽水蓄能电站的上下水库中采用混凝土面板作为 防渗体的工程实例见表1 4 。 表1 4 抽水蓄能电站上水库混凝土面板工程实例 t a b 1 4 t h ec o n c r e t es l a b so fp u m p e d s t o r a g er e s e r v o i re n g i n e e r i n ge x a m p l e s 随着堆石坝施工技术、混凝土材料性能及面板施工技术的发展，使堆石沉陷量大大 减小。混凝土的性能改善，从而使面板的依托基础和自身条件都得到改善。大量实际观 测资料使人们对堆石坝的形态更了解，从而对混凝土面板的设计更为简化也可靠了。常 规电站的堆石面板坝的高度已经超过1 5 0 m ，在向2 0 0 m 以上的高度进军，相信混凝土 面板堆石坝也会在抽水蓄能电站中发挥更多作用。 1 3 面板堆石坝应力应变分析方法研究现状 面板堆石坝的发展是一个逐步进化的过程，技术的进步主要来自于人们不断的、谨 慎的探索。在这个过程中，工程技术的进步主要是建立在对已建的性能评价的基础上通 过反复试验得到的。混凝土面板堆石坝的设计在很大程度上依靠经验，并建立在经验和 判断的基础上，根据每座新坝的特性对设计进行修改。因此，面板堆石坝的设计基本上 是经验的，是以经验和判断为基础的。然而，随着科学技术日新月异的发展，工程规模 日趋变大，人们不再满足一般的经验，而要求对工程的运行情况能够进行预测，使工程 设计更加合理，这些促使了面板坝计算理论的发展。 多年来，国内外关于面板堆石坝应力应变分析研究的重点主要集中在以下几个方 面。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 1关于堆石体本构模型的研究 堆石体的变形特性大体上可以归结为：非线性，堆石体的应力应变关系表现为典 型的非线性关系；压硬性，堆石体的变形模量随着围压的增加而增加；剪胀性，堆 石体受荷时，颗粒会产生破碎和滑移，引起体积收缩；应力引起的各向异性，不同方 向应力差异引起变形刚度不同。 关于堆石体本构模型理论的系统研究工作，在国外已有3 0 多年的历史，在我国也 已有近2 0 年的历史。先后提出了数以百计的本构关系数学模型，但真正能够用于工程 实际、为工程界所接受的却很少。 目前我国在面板坝的计算分析中，堆石体的本构模型大体上可以分为非线性弹性模 型和弹塑性模型两大类l l 。非线性模型以d u n c a n c h a n g 双曲线e 模型和 d u n c a n c h a n g 双曲线e b 模型为代表，弹塑性模型以沈珠江双屈服面模型和殷宗泽双 屈服面模型为代表。 早先，面板坝应力变形分析多采用d u n c a n c h a n g 双曲线e 模型【1 2 】【1 3 】，该模型的 8 个模型参数，可由室内常规三轴试验结果整理出来。与实测资料相比，d u n c a n c h a n g 双曲线e 模型计算结果存在两大问题：一是计算所得的坝体水平位移很大；二是计算 所得的面板拉应力区域和拉应力值明显偏大。1 9 8 1 年，邓肯将该模型进行了修改，提出 了d u n c a n c h a n g 双曲线e b 模型【l 钔。该模型和d u n c a n c h a n g 双曲线e 模型的区别 在于用切线体积变形模量b t 代替切线泊松比，其余7 个模型参数由室内常规三轴试 验结果整理。d u n c a n c h a n g 双曲线e b 模型计算结果要比d u n c a n c h a n g 双曲线e 一模 型合理，但由于其不能考虑堆石体的剪胀性，计算所得的水平变形仍然偏大。这是因为 非线性模型一般只能满足堆石体变形特性的前两项，即非线性和压硬性，因而造成计算 所得的应力变性特性与实际情况存在差异。虽然d u n c a n c h a n g 双曲线模型的计算结果 不尽合理，但它能部分反映堆石体的变形特性，而且应用很方便，参数测定简单，所以 仍然得到较为广泛的应用。 为了寻求更为合理的计算结果，许多人曾尝试采用弹塑性模型进行计算，但是堆石 体的变形相当复杂，一般的弹塑性模型也难以全面反映，并且参数确定也比较困难。为 此，沈珠江院士等人根据剑桥模型和邓肯模型的特点，将两者的优点结合起来，提出了 一个双屈服面弹塑性模型【l5 】【1 6 】( 南水模型) ，使得堆石体的各项主要变形特性得到反映。 该模型既反映了土与堆石的剪胀( 缩) 性、应力路径转折后的应力应变特性，同时又可 以采用目前通用的常规三轴试验确定其模型参数，因而便于推广运用。同时，殷宗泽也 提出了一个双屈服模型【1 7 】【1 3 】，同样能较为全面的反映堆石体的变形特性。 抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝三维有限元分析 1 3 2 关于混凝土面板分析方法的研究 在面板计算方面，进行了梁单元、四边形单元、薄板单元和六边形单元、一排面板 单元和三排面板单元等比较计算【l9 1 。以上的比较计算说明，尽管面板的计算方法不同， 但堆石坝体的应力和位移计算结果基本相同，它主要影响面板本身的应力和位移。由于 不能保证带角变位的面板单元和相邻接触单元的位移协调，导致面板应力计算结果不理 想。目前，反映面板角变位的计算方法不会提高坝体及面板应力应变分析的精度。一般 情况下，面板用普通四边形或六面体单元离散能满足计算精度要求。 1 3 3关于面板与垫层间接触面计算模型的研究 颗粒材料与混凝土面板间接触面是抗剪【2 0 】弱面，在众多的相互作用分析中均采用古 德曼( g o o d m a n ) 单元1 2 l j 模拟，该面上的剪应力与相对位移成正比，这个比例系数为接 触面的切向刚度系数。该面的切向刚度系数在零和无限大两者之间变化。从计算理论上 看，这种模拟应该是合理的，关键问题在于切向刚度系数的确定。 在其它条件相同情况下，面板和垫层之间有无接触面单元都不影响竣工期堆石体的 应力和位移，而蓄水期堆石体的上游位移受接触面单元的影响。在无接触面单元情况下， 堆石坝体上游部分的水平位移比有接触面单元的小一半。无接触面单元计算的周边缝张 开位移比沉降大，有接触面单元计算的周边缝张开位移比沉降小。同样，无接触面单元 时，计算的的面板坝加速度反应值比有接触面单元的小，但动应力值较大。接触面单元 的切向刚度值大，则面板和堆石坝体近于刚性连接，地震反应计算值接近无接触面单元 的情况；接触面单元的切向刚度值小，地震反应计算值接近于无面板的情况。总之，接 触面单元的模拟对计算结果有较大影响，当只了解堆石坝体的位移和应力时，在静力计 算中可以不设接触面单元，其他情况都必须设接触面单元。 1 3 4 关于接缝计算模型的研究 接缝 2 2 1 采用了分离缝、复合板模拟、自由面模拟、软单元及止水连接单元等模式。 在空间有限元分析中，对面板垂直缝的模拟主要影响面板沿坝轴向的应力计算结果。在 条件允许的情况下，宜在每个垂直缝处剖分单元。否则，在两坝肩预计的拉伸区的每个 垂直缝处剖分单元，压缩区可以将面板合并剖分单元，甚至可以不模拟垂直缝。考虑到 分离缝或自由面已反映了接缝拉压的受力特性，只是未反映剪切的特性，而垂直缝的剪 切变形是次要的，可以近似采用分离缝或自由面模拟面板的垂直缝。周边缝的剪切位移 和其他位移量是同数量级的，用软单元或分离缝模拟周边缝都是近似的。用止水连接单 大连理工大学硕士学位论文 元模拟接缝比较合理地反映接缝受力和剪切特性，但在模拟受压特性时，会出现接缝两 侧混凝上相互嵌入的不合理现象。 1 3 5目前研究中存在的问题 ( 1 ) 一些学者对土的一些理论理解不一致，因此在整理土的试验资料用以推导本 构模型时，常常作了一些补充假定，导致了种种不同的模型出现。目前，本构模型研究 较多，分析方法研究较少，而分析方法的不足带来的误差可能比本构模型的缺陷带来的 误差更为重要1 2 川。 ( 2 ) 面板堆石坝应力应变分析的关键技术问题是间断面的高度非线性，它的计算 方法并没有得到很好的解决。 ( 3 ) 新理论、新方法的研讨不够。目前，面板堆石坝应力应变分析理论限于非线 性弹性理论、弹塑性理论，方法仅限于有限元。 ( 4 ) 堆石体蠕变特性的探讨不够【2 4 1 ，由于未计入堆石变形的时间效应，理论分析 结果并不能完全令人满意。但要在设计中准确计入堆石蠕变的影响，还有很大难度：一 是目前还没有能比较可靠地描述堆石蠕变的数学模型，有关这方面的经验比较缺乏，参 考文献较少；二是堆石的蠕变受条件限制，难以在室内进行试验，参数难以确定。 1 4 论文研究的目的、意义和主要内容 1 ) 研究目的和意义 在河川或溪沟上筑坝形成水库时，坝线的选择与常规水电站基本相同。上水库位于 山顶或台地，往往要筑环形坝以形成水库，为了减少水库的土石方工程量，做到土石方 挖填平衡，环形坝线通常沿等高线布置，故水库的周边呈不规则的形状。如卢森堡的费 安登抽水蓄能电站上水库，法国勒万抽水蓄能电站上水库。 抽水蓄能电站的水库【1 0 1 一般库容比较小，利用山顶洼地或沟谷筑坝形成水库时，坝 轴线的形状对库容会有较大的影响。因此坝轴线往往不用直线，而采用凸向库外的折线 或曲线。尽管这样做可能会增大坝的工程量，但如果能增加库容，这么做是值得的。这 一点与常规水电站有所不同。采用凸向库外的曲线形坝轴线的例子很多，例如著名的英 国迪诺威克抽水蓄能电站的上水库就是这样布置的。当坝轴线长度占水库周边长度的比 例较大时，便形成半环形坝。德国的格雷姆斯( g l e m s ) 抽水蓄能电站的水库有半个库 周是挖山而成，另半个库周是半环形坝。在高地或台地上筑环形坝形成水库是这种布置 的扩展。我国浙江省天荒坪抽水蓄能电站上水库主坝轴线也是向库外凸的弧线，与原来 坝轴线为直线的方案相比，在最高蓄水位相同时，库容增大了约1 0 。 抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝三维有限元分析 资料显示，坝轴线有条件做成拱形曲线时，其受力状态是有利的【2 5 1 。美国工程设 计一土石坝设计与施工总则中说明：“坝轴线大于坝高时用直线，依据地形地质选用 经济的轴线。避免凹向上游突变，因坝体向下游变形会使突变处出现张拉力产生裂缝。 狭窄河谷应使坝轴线凸向上游，在水压作用下防渗体向下游挠曲，纵向受压增强抗裂， 曲率半径为3 0 5 - - 一9 1 4 m ，避免与凹字形山脊或下游扩宽的岸坡连接。美a 、r 高利泽 等著的坝工手册中也注明：“选用坝轴线布置要经济而不使坝体开裂和滑动，一般 用横跨河谷最短直线，峡谷用拱向上游曲线，以致在水压力作用下，变形受到径向压缩 可减少横向开裂 。 根据规范要求和工程实例证明，坝轴线凸向上游对坝体结构是有利的，应尽量避免 坝轴线凹向上游，而抽水蓄能电站的面板堆石坝为了增加库容，又多采用凸向库外的曲 线形坝轴线。因此，深入分析坝轴线凸向库外的面板堆石坝的坝体和面板的应力应变情 况，对于全面了解抽水蓄能电站面板堆石坝的工作性能，确保坝体安全工作，以及为以 后的抽水蓄能电站面板堆石坝设计、施工提供技术参考等都具有重要的理论价值和实际 意义。 2 ) 研究内容 根据目前国内外有关面板堆石坝的研究进展情况，为了探讨抽水蓄能电站常用的坝 轴线凸向库外面板堆石坝的应力变形特性规律及变形的影响因素，本文主要进行以下研 究： 1 、研究了面板堆石坝材料的本构模型，在已有的沈珠江双屈服面弹塑性模型有限 元程序的基础上，编制了d u n c a n c h a n g 双曲线e b 模型的三维有限元程序，完成( 善) 多个面板堆石坝有限元后处理程序。 2 、以一个规则典型的面板堆石坝工程为算例，选用d u n c a n c h a n g 双曲线e b 模型 和沈珠江双屈服面弹塑性模型( 南水模型) 对其进行三维有限元静力计算，对堆石体和 面板的应力应变主要成果进行对比分析，探求面板堆石坝在不同计算本构模型下应力应 变的变化规律。 3 、为了探讨不同形状坝轴线对坝体和面板稳定的影响，在已经建立的规则典型的 面板堆石坝三维有限元计算模型的基础上，改变坝轴线形状，建立坝轴线凸向上游和坝 轴线凸向下游的面板堆石坝三维有限元计算模型，用沈珠江双屈服面弹塑性模型( 南水 模型) 对三种不同模型进行计算，比较直线型和曲线型面板堆石坝的三维应力应变计算 结果，分析得出曲线型坝轴线方案的选取对坝体结构稳定的影响程度，给工程设计与施 工人员提供了参考。 大连理工大学硕士学位论文 4 、以西龙池下库沥青混凝土面板堆石坝( 反拱曲线型坝轴线) 为工程实例，建立 三维计算模型，对该水电站面板堆石坝在竣工期和蓄水期两种工况下的应力变形进行模 拟计算，对坝体及面板的应力变形主要成果进行分析。 1 5 本章小结 本章主要回顾抽水蓄能电站和混凝土面板堆石坝的发展历程，及混凝土面板堆石坝 在抽水蓄能电站中的应用。对混凝土面板堆石坝堆石体材料、面板混凝土、面板与垫层 间接触面、接缝以及数值计算方法和模型进行概括总结，并阐明了本文研究工作的目的、 意义和主要内容。 抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝三维有限元分析 2 面板堆石坝应力应变分析理论 2 1堆石材料的本构关系 2 1 1 非线性弹性模型 非线性弹性模型是广义虎克定律( g e n e r a l i z e dh o o k e sl a w ) 的推广。考虑到非线 性，包含在矩阵【d 】中的弹性常数e 、不再视为常量，而被看作随应力状态而改变的变 量。此时，材料的应力应变关系就变为 ( 仃) = d ( 仃) 】( 占) ( 2 1 ) 此即为非线性弹性模型。 目前众多的非线性弹性模型中，用于面板堆石坝结构分析的主要有邓肯双曲线e z 模型、邓肯双曲线e b 模型、修正邓肯e z 模型、修正剑桥模型和内勒k g 模型等。 我们的计算中所采用的是邓肯双曲线e b 模型，它比较直观简洁，并且目前工程应用经 验丰富，已被广大工程人员所接受。下面简单介绍一下d u n c a nj m 等人提出的双曲线 e b 模型【2 6 1 1 2 7 1 。 堆石料的切线弹性模量： 弹。砌r k , 旦p a 、1 ) ”卜瓦_ a , 一- o - 3 刮 亿2 ， 其中：砌一大气压力；r ，一破坏比，是破坏时主应力差与应力应变双曲线的渐近 线的纵坐标值的比值，即r ，：? l 1 0 ；k 一弹性模量系数；刀一弹性模量指数。 。 【q 一吒) 址 根据摩尔一库伦准则得： ( q 一吒) ，= 丝竿竽 ( 2 3 ) 式中，c 、矽分别为土的凝聚力与内摩擦角。 1 9 8 0 年邓肯等人提出从三轴试验结果整理出切线体积变形模量e ： j 9 i = 叫暑) ( 2 4 ) 式中，屹，历一待定试验常数：瓦一体积模量系数；肌一体积模量指数。 大连理工大学硕士学位论文 因为马2 而，当鸬2 。时，e = 等；z , = 0 4 9 时，b , = 1 7 巨。所以e 限 制在巨3 1 7 e , 之间，否则得不到合理计算结果。 由于堆石体的摩尔库