（水工结构工程专业论文）高心墙堆石坝三维有限元分析及抗震安全评价.pdfVIP

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近些年高土石坝的建设在我国得到了迅速的发展，西部地区由于水资源十分丰富， 这些高坝多建于此，但西部大部分地区处于高烈度地震带，所以对这些高坝进行抗震安 全评价具有十分重要的意义。特别是汶川大地震后，在分析高土石坝静力条件下应力变 形的同时，对高土石坝的抗震安全性进行评价更加倍受人们的关注。 本文以实际工程项目为例，对3 5 0 m 级超高心墙堆石坝进行了如下的研究： ( 1 ) 根据坝体结构及地形地势特点建立了三维有限元模型，采用邓肯e b 模型对三 维坝体进行了静力有限元分析。 ( 2 ) 将湿化数学模型引入到静力有限元计算中，分析了考虑湿化前后坝体的应力位 移变化，阐述了湿化变形对坝体的影响程度。 ( 3 ) 在静动力有限元分析的基础上，对大坝进行抗震安全评价，分别采用等价节点 力法对坝体的地震永久变形进行计算分析，采用s e e d 法对坝体心墙料、反滤料及坝基 砂的动强度安全系数进行判断，针对坝体在地震荷载作用下的危险性情况，提出了相应 的抗震加固措施，给出了一些有益的结论，为今后高土石坝的建设提供借鉴和参考。 关键词：高堆石坝；有限元分析；湿化变形；永久变形；动强度 高心墙堆石坝三维有限元分析及抗震安全评价 3 d - f e ma n a l y s i sa n da n t i - s e i s m i cs a f e t ye v a l u a t i o nf o rh i g hc o r e - w a l l r o c k f i l ld a m a b s t r a c t n l ec o n s t r u c t i o no fh i g he a r t h - r o c kd a m sh a dd e v e l o p e df a s ti nt h er e c e n ty e a r s h i g h e a r t h - r o c kd a m sh a db u i l ti nt 1 1 ew e s t e r na r e a sw h i c hh e l dr i c hw a t e rr g s o t l r c e s b u tm o s to f w e s t e r na r e a sl o c a t e di nh i 【g h e a r t h q u a k ei n t e n s i t yr e g i 0 1 1 5 s o t h ea n t i - s e i s m i c s a f e t y e v a l u a t i o nf o rh i l g hd a m sw a sv e r yi m p o r t a n t s p e e i a u ya f t e rw e n c h u a ne a r t h q u a k et h es t r e s s a n dd e f o r m a t i o no fh i g he a r t h r o c kd a m sw e r ea n a l y z e di nt h es t a t i cc o n d i t i o n a n dp e o p l e h a dp a i dc l o s ea t t e n t i o nt ot h ea n t i - s e i s m i cs a f e t ye v a l u a t i o nf o rh i 曲e a r t h - r o c kd a m s ，n l i sp a p e rr e g a r d e da c t u a le n g i n e e r i n ga sa ne x a m p l e t 1 1 i s3 5 0 ms u l x = r - h i 曲c o r e - w a l l r o c k _ f i l ld a mw a sr e s e a r c h e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e3 d f e mm o d e lw a sb u i l tb a s e do ns u l l e t u r eo fd a ma n dt e r r a i n t h ed u n c a n e - bm o d e l 、 璐u s e df o r3 d f ：b ms t a t i ca n a l y s i s f 2 ) n l em a t h e m a t i cm o d e lo fw e t t i n gw a si n t r o d u c e di nt h e3 d - f e ms t a t i cc a l c u l a t i o n 1 1 1 ec h a n g eo fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sw a sa n a l y z e da f t e rc o n s i d e r i n gw e t t i n g 耵1 ee f f e c to f w e t t i n gw i t hr e s p e c tt od a mw a sd i s c u s s e d ( 3 ) t b ea n t i s e i s m i cs a f e t ye v a l u a t i o nf o rd a mw a sc o m p l e t e do nt h ef o u n d a t i o no fs t a t i c a n dd y n a m i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n a l y s i so fe a r t h q u a k ei n d u c e dp e r m a n e n td e f o r m a t i o n f o rd a mh a dd o n eb ye q u i v a l e n tn o d a lf o r c em e t h o d n 硷s a f e t yf a c t o ro fe o r e - w a l lm a t e r i a l ， f i l t e rm a t e r i a la n ds a n do fd a mf o u n d a t i o nu n d e rs e i s m i cl o a d sh a db e e ne s t i m a t e db ys e e d a c c o r d i n gt ot h ed a n g e r o u ss i t u a t i o no fd a mu n d e rs e i s m i cl o a d st h ea u t h o rh a dp r o v i d e d c o r r e s p o n d i n ga n t i s e i s m i c a n dr e i n f o r c e m e n tm e a s u r e s a tt h es a l n 【et i m eg a v es o m e b e n e f i c i a lc o n c l u s i o n s t m sp a p e rh a dp r o v i d e de x p e r i e n c e sa n dr e f e r e n c e sf o rf u t u r e c o n s t r u c t i o no fh i g he a r t hd a m s k e yw o r d s ：h i g hr o c k f i ud a m ；f i n t ee t e m e n ta n a l y s i s ；w e t t i n gd e f o r m a t i o n ； p e r m a n e n td e f o r m a t i o n ；d y n a m i cs t r e n g t h 1 1 一 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：叁煎墅塑丝型塑丝垫藿筮姚 作者签名：磋址日期：兰纠l 年厶月三l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 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： f 圣竺丝丝堑丝绉盈金咝藿勉聋幺 作者签名： 醛到；日期：型 年厶月三l 日 导师签名：还芏盔日期：塑2年乙月兰生日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景及意义 众所周知，我国水资源和水能资源总量丰富，水资源总量2 8 1 万亿m 3 ，其中河川 径流约占9 6 4 ，水能资源技术可开发装机容量5 4 2 亿k w ，年发电量2 4 7 4 0 亿k w h ， 至2 0 0 5 年年底，我国水电仅开发1 1 7 亿k w ，水能资源开发利用率也不足2 3 ，开发 潜力巨大。我国8 0 的水能资源在西部，伴随着西部大开发战略的实施，泪前在建和拟 建的许多高坝都在这一地区，然而西部地区地质条件复杂，地震频繁，强度大，故确保 在西部建设的这些水库大坝的安全运行意义十分重大。 土石坝是水利建设中最常用的坝型，土石坝主要包括均质土坝、混凝土面板坝和心 墙坝等。土石坝的建设如火如荼，土石坝的高度也越来越高，数量在不断增加【l j 。到目 前为止，我国坝高超过1 0 0 米的坝有2 0 座，其中水布垭、苗家坝、糯扎渡等的坝高达2 3 0 米以上【2 】。根据“十一五一及2 0 2 0 年水电规划，2 0 2 0 年以前我国还将在西部地区建设一 批2 0 0 m 级及以上超高坝工程。在这些高坝中，土石坝由于投资省、施工快、且对复杂地 质条件适应性较强的特点，在坝型选择中具有明显优势。南水北调的大西线工程将从长 江上游大渡河、雅砻江、通天河上筑坝建水库，采用隧洞穿过巴颜喀拉山，向黄河上游 补水，也将建设多座2 0 0 3 0 0 i i l 级的高坝，而土石坝为首选坝型。 土石坝的数量之多，分布之广也就决定了它是水工结构中遭受震害最多的一类【3 卅。 上个世纪中，世界各地先后发生了多次地震，震后统计资料表明在每次地震中都有一些 土石坝发生了不同规模和不同程度的破坏，有些甚至发生溃坝事故1 5 - 9 1 。但是对于建在 地震区的土石坝如果做好抗震设计，采取必要的加固措施并且保证施工质量，其抗震性 能还是较高的，有不少高度超过l o o m 的土石坝建在基本烈度7 度以上地震区，紫坪铺、 瀑布沟、大柳树、糯扎渡土石坝都是大i 型工程，这些高坝的设计地震烈度均达到8 、9 度。前苏联的罗贡坝( 坝高3 3 5 m ) 和努列克坝( 坝高3 0 0 r e ) 、墨西哥的奇科森坝( 坝高2 6 3 m ) 、 加拿大的买加坝( 坝高2 4 4 m ) 、美国的涯洛维尔坝( 坝高2 3 4 m ) 等都位于8 9 度区。有一 些高土石坝在施工期或竣工后都遭受过较强地震，没有产生明显震害。但也有一些土石 坝在地震中失事或者产生严重破坏，如美国的谢菲尔德坝、柯尔曼坝、罗吉斯坝等都因 地震而丧失使用功能，美国的下圣费南多坝也因地震而产生严重破坏；我国北京密云自 河土坝、唐山陡河土坝、山东王屋、冶源、荒山土坝、辽宁王家坎、三道岭、石f - j + 坝 等都曾因地震而发生滑坡、震陷、裂缝等震害。即使建于非地震区或弱地震区的大坝也 可能遭受所谓的“水库诱发地震 的影响，即由于坝内库水的水重荷载引起附加应力场 高心墙堆石坝三维有限元分析及抗震安全评价 与地壳构造应力场的叠加，地表水与深层水存在有水力联系，引起的孔隙水压力和物理 化学作用而导致的地震效应。这种地震以大坝为震中，震源很浅，且与地质构造走向、 断裂和裂隙带紧密相关，所以即使地震震级不是很大，震中烈度却很高，也足以对大坝 造成破坏i 川。 特别是汶川地震以来，我国相关部门对大坝的抗震安全提出了更高的要求。可见， 在以后的土石坝设计中，除考虑坝体在各种静力荷载作用下的受力变形情况外，还要对 坝体在地震荷载作用下的抗震安全性予以重点考虑。对于建在高烈度地震区的土石坝， 要采用合理的计算方法，对其进行抗震验算和抗震设计，采取适当的加固措施抵抗未来 地震作用下可能产生的破坏【l 。本文以深厚覆盖层上3 5 0 m 级的其宗心墙堆石坝为研究 对象，在进行静力有限元计算的同时考虑了湿化作用对坝体变形的影响，并且对坝体进 行了动力有限元分析，对各主要坝料区进行了抗震安全验算及对坝体的地震永久变形进 行了计算分析，提出了相应的抗震措施。由于目前在我国还从未建设过如此高度的心墙 堆石坝，因此对该坝的安全评价显得十分重要，对今后的工程实践也有一定的参考借鉴 作用。 1 2 心墙堆石坝的发展 心墙堆石坝是土石坝的一种，现代土石坝大致是从2 0 世纪6 0 年代开始逐渐发展起 来的。主要采用现代碾压堆石技术的施工方法填筑而成。一般而言，现代土石坝具有以 下特点1 1 2 】： ( 1 ) 适应广泛的坝基地质条件，在软弱岩层或深厚冲积层上都可以建坝；而且还可 以建在强震区； ( 2 ) 坝体变形量小。应用振动碾压实堆石料的高坝，坝顶在竣工后沉降仅约为坝高 的0 2 ，坝体很少发生裂缝。按照现代实践经验，能有效的控制变形的坝体高度是： 土坝可达1 0 0 米，面板坝约为2 0 0 米，而心墙坝可超过3 0 0 米； ( 3 ) 坝体堆石等粗粒料的抗剪强度高。应用振动碾压实堆石料，具有较高密实度， 不仅降低变形，还增加了抗剪切能力； ( 4 ) 抗震性能好。据实测与动力分析，坝顶动力反应较强，现在在强震区建土石坝 趋于应用上缓、下陡的边坡，坝趾加戗台等具有较佳抗震性能的结构体型； ( 5 ) 广泛利用当地土石料，包括风化或较弱的石料以及分散性的土料等。因地制宜， 就地取材，注意土石方挖填平衡，减少弃料，利于环境保护。现在为满足坝体填筑，常 有意识地扩大引、泄建筑物开挖，减少混凝土用量，达到工程总造价最低的目的； 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 注重渗流控制。在防渗体后的坝体纵断面上全断面地设置反滤排水拦截渗流， 在防渗土体中注意防止水力劈裂，在坝壳中注意材料合理分区，从内向外、由细至粗地 逐层过渡； ( 7 ) 埋置观测设备，注意监测运行，了解坝体运行状态，改进设计，保证大坝安全， 现在薄层碾压堆石也为埋设设备提供了有利条件： ( 8 ) 更多地采用泥浆固壁浇筑混凝土或高压喷射水泥砂浆的防渗墙，作为砂砾石冲 积层等软基中的防渗结构。 目前，高土石坝主要包括混凝土面板堆石坝和心墙堆石坝两种坝型。心墙堆石坝在 我国是从2 0 世纪4 0 年代以后才有所发展的，直到1 9 9 0 年建成的鲁布革心墙堆石坝才 成为第一座坝高超过1 0 0 m 的土质心墙堆石坝【l3 1 。混凝土面板堆石坝由于其坝体断面小， 安全性好，施工受气候影响小等优点而在国内方兴未艾。但由于高混凝土面板堆石坝堆 石体后期变形大，常给面板稳定及应力应变状态造成不利影响，因而超过2 0 0 m 的高坝 相对较少1 1 4 】。 现代心墙坝的主要特点之一是用振动碾压实的粗粒料具有较好的密实度。构成的坝 壳变形小，强度高。土质防渗墙和反滤过渡层与其能较好地协同变形。其特点之二是能 较好的掌握材料的性能，分区布置合理利用，能使坝体具有良好的抗剪切与抗渗透稳定 性。这样组成的土石料剖面较经济，遂成为土石坝的一种较稳妥的代表性坝型【1 2 1 。所以， 高心墙坝得以被更广泛的采用，我国现在已建、在建和正在规划中的2 0 0 米以上的土石 坝以心墙坝为主，糯扎渡、双江口的坝高分别为2 6 1 5 米和3 2 0 米。当前世界上著名的 高坝有前苏联的罗贡坝( r o g e n ) 、努列克坝( n u r e k ) ，坝高分别为3 2 5 米、3 0 0 米。另外， 高心墙坝之所以应用如此之广还与其突出的优点分不开1 1 5 】： ( 1 ) 坝体由掺砾土或若干透水性不同的土石料分区构成，筑坝材料就地取材，可节 省大量钢材、水泥、木材等建筑材料； ( 2 ) 适应地基变形能力强。其散粒体结构能较好地适应地基的变形； ( 3 ) 旌工方法选择灵活性大。能适应不同的旌工方法，可采用高度机械化施工，且 工序简单，施工速度快，质量也容易保证； ( 4 ) 结构简单、造价低廉、运行管理方便、工作可靠，便于维修加高； ( 5 ) 在大坝的填筑量还不到总工程量的5 0 时，第一批机组可以在低水头情况下投 放运行。 基于上述现代土石坝施工技术的发展以及心墙堆石坝的自身优点，使在高烈度地震 区修建超高心墙堆石坝成为可能。 目前世界上己建、在建或拟建的部分心墙坝如表1 1 所示。 高心墙堆石坝三维有限元分析及抗震安全评价 表1 1 心墙坝建设情况 t a b 1 1 t h es t r u c t i o no fc o r e - w a l ld a m 1 3 坝体抗震加固措施研究概述 土石坝所处的河谷的形状往往比较复杂，局部地质条件也多不规则和非均匀，三维 效应往往是不容忽视的。而且土石坝的动力反应与坝高关系密切，无论是心墙坝还是面 板坝，当坝高超过1 5 0 m 时，坝的上部地震加速度效应显著，坝体上部变形将加大，坝顶 的“鞭梢”效应使坝壳上部产生高应力区，有可能导致坝顶失稳和滑落，其主要特征是： 动荷载作用下，坝顶部堆石体将最先失去平衡而产生松动、滑动乃至坍塌等；坝体初始 破坏一般表现为坝坡面的浅层( 表层) 沿平面或近乎平面滑动，其位置靠近坝顶区附近， 心墙堆石坝为上、下游两侧坝面，面板堆石坝则发生在下游坝坡。三维模型试验还表明， 坝体破坏主要集中在中部坝段，即河谷坝段，两岸坝段破坏较掣1 0 1 。孔宪京【1 6 】等认为， 对于1 0 0 m 以下的低坝，在中等地震作用下，其地震反应以第一振型为主；对1 5 0 m 以上 的高坝，地震时，坝体地震反应中高振型参与量增大，坝体上部( 一般在坝高4 5 以上) 变形增大，坝顶区的“鞭鞘 效应将使堆石处于不稳定状态；强震时坝顶部往复地震惯 性力较大，将会导致坝顶区堆石体松动，堆石颗粒间咬合力丧失，从而在坝顶上、下游 两侧发生堆石体浅层滑动。因此，在高土石坝抗震设计中应特别注意坝顶区土体的稳定， 并采取必要的抗震措施。另外，国内外许多学者对土石坝的地震反应问题做了大量的研 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 究工作，并提出了许多实用的抗震措施i l m 。具体方法有以下几类： ( 1 ) 选择有利地质条件，提高坝基抗震能力 土石坝的坝基应选择在邻近没有活动断层，具有较完整岩体或土层密实的地段，尽 量避免在软弱地基上筑坝。防渗心墙两岸的基岩清理边坡不宣有突变，以减少心墙的不 均匀沉降与开裂的可能性。对坝基中存在的软弱土层，首先应尽量挖除，坝基存在易液 化的砂层或软弱土层时，地震时将发生液化及软土挤出，使坝脚喷水冒砂及软土隆起， 导致坝体过量变形裂缝，造成险情，当因软弱土层埋藏深或厚度大等原因不易挖除时， 应采取有效的工程措施进行处理，加固地基，使之密实，防止液化和软土挤出，或在坝 脚上下游地面加反压平台。 ( 2 ) 采用合理的坝体断面 常见的土石坝断面形式主要有三种：均质坝、心墙坝和斜墙坝。坝体的断面设计应 尽量避免地震时发生滑坡和漏水溃决等严重震害。因此筑坝材料要求有足够的强度，坝 坡处理得当避免地震时发生滑坡；对于防渗体要求有足够的厚度，地震时不致产生贯穿 性裂缝。另一方面，坝体结构应尽可能保持在刚度上的均一性，避免地震时坝体产生不 均匀沉降，以产生裂缝。坝体抗震断面设计还涉及坝坡坡比、坝顶超高和坝顶宽度等问 题。坝高要考虑留有足够的余度，尽量降低坝体的浸润线，在建筑物与防渗体的连接上， 要做到安全可靠，对地震作用下易遭受破坏坝顶部位应采取必要的加固措施。可以适当 的加大坝顶超高，用以防止库区滑坡涌浪漫顶：防止水库波漾漫项；为坝项震陷留有裕 度；适应坝顶出现横向开裂，使土体开裂深度在库水位以上，从而使贯穿裂缝免遭冲蚀。 可以采取措施，一般在强震区常采用较宽的坝顶，以提高坝顶抵抗漫溢冲刷的能力；防 渗体顶宽也较大，以提高横向开裂抵抗冲蚀的能力；但坝项较宽，土石坝的建设成本升 高，所以对于坝顶宽度尚应仔细地予以全面考虑。 ( 3 ) 提高坝体填筑质量 提高坝体填筑质量是防止坝体破坏非常重要的措施。包括以下两方面：选用级配较 好的土石料；保证填土或者堆石压实质量。土石坝坝体结构采用厚实的防渗体，采用粘 性土心墙，在防渗体上下游侧采用反滤层和过渡层，以适应防渗体与反滤层的错断，限 制土体裂缝遭受冲蚀以及有足够的排水适应变形能力，保证土体遭受冲蚀的自愈效应。 坝壳采用透水性大和块度大的抛石或堆石体，以其坝壳在地震振动下不致产生超孔隙水 压力，并可得到迅速消散。坝体填料应具有良好的密实度，以其减少振幅和变形，增加 抗剪强度，并可使振动后的残余强度不致有过度的降低。疏松的砂和砂砾石遇到地震时 发生振动压密，饱和的砂及砂砾石振动压密时，孔隙突然压缩，一部分土体应力就被孔 隙水承担，这就是附加孔隙水压力。附加孔隙水压力减少了土体的有效应力，因而减少 高心墙堆石坝三维有限元分析及抗震安全评价 了抗剪力，导致坝坡坍滑。疏松的砂和砂砾石由于渗透系数较小，在地震过程中，附近 孔隙水压力不断产生，孔隙水压力不易消散。因而地震历时越长，则孑l 隙水压力积累增 长越多，导致抗震稳定性较差。在坝顶附近，地震反应比坝体的中部和底部为大，故坝 顶附近坝坡稳定性低于中部和底部，裂缝的可能性大于中部和底部。从静应力状况看， 坝项的自重应力，包括竖向应力和侧向应力比中部和底部小，地震产生的动应力超过侧 向压应力与抗拉强度之和，就将产生振动裂缝。因此坝顶附近比中部和底部更易震裂。 以前，有些技术人员认为：坝顶附近挡水水头小，防渗要求较低：自重应力小，沉陷较 小；故坝顶附近粘土或砂砾石压实标准可以降低些。这种认识是不正确的。如上所述， 在地震区，坝顶附近的土砂石料压实标准不但不应降低，而且应当提高。即使在非地震 区，提高坝顶附近土砂石料的压实标准，也可减少因自重沉陷而产生的坝顶裂缝。至少， 坝顶附近的压实标准不应低于中部和底部。粘土心墙或粘性土均质坝是土石坝的防渗 体。无论在静力状态下还是在动力状态下都应该防止产生裂缝。提高填土的压实标准是 防止裂缝的有效措施。充分碾压密实的土体具有较高的抗拉强度和抗剪强度，而且有较 小的压缩性。在静荷载和动荷载作用下，竖向位移和水平位移都较小，因而大大减少了 产生裂缝的可能性。另外，提高壤土的压实标准是防止坍滑和变形的有效措施。疏松的 砂土、砂卵石和堆石抗剪强度小，不利于坝坡的稳定，而且压缩性大和变形模量小，会 发生较大的沉降。不但支撑棱体本身会发生纵向横向裂缝，而且会导致心墙斜墙发生纵 向裂缝和横向裂缝【6 】。因此保证土石坝的施工质量，严格控制土石料的压实密度，将十 分有利于土石坝抗震。s e e d 曾据一些土坝遭受地震的实际状态，认为任何一个施工质量 良好的各种土坝，都能经受中等强度地震产生的约0 2 9 左右或更大的加速度，而不致受 到严重危害 2 2 - 2 3 。 5 1 2 汶川8 级地震，位于9 度以上区的紫坪铺面板堆石坝虽然有明显损伤，但保持 了较好的抗震性能，没有出现滑坡甚至垮坝等重大次生灾害。说明施工与设计良好的堆 石坝具有很好工程抗震性能，可以抵御超过设计水准的地震破坏。 1 4 本文的主要工作 本文以实际工程项目为例，开展3 5 0 m 级高心墙堆石坝的静动力有限元分析及抗震 安全评价，主要研究工作如下： ( 1 ) 介绍了当前背景下建造高心墙堆石坝的目的及意义。 ( 2 ) 以其宗高心墙堆石坝为例，采用三维建模软件a n s y s 依据坝体结构特点建立 了三维有限元计算分析模型，进而利用可模拟坝体填筑、蓄水过程的邓肯e b 模型对坝 体进行三维有限元静力分析。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 在有限元静力分析中，考虑了湿化作用对坝体变形的影响，介绍了湿化变形的 原理，并将湿化变形模型引入到三维有限元静力计算中，分析比较了湿化前后坝体变形 的情况。 ( 4 ) 应用等效粘弹性模型对坝体进行三维动力有限元计算，分析坝体的动力反应特 性。 ( 5 ) 采用等价节点力法对坝体的永久变形进行计算，判断该超高心墙堆石坝在强震 作用下的安全性。为坝顶预留超高提供依据。 ( 6 ) 依据s e e m 提出的动强度判别标准对坝体内心墙料，上游反滤料及坝基砂进行动 强度验算，对坝体进行抗震安全评价，并针对动强度不足坝料给出了相应的抗震加固措 施。 高心墙堆石坝三维有限元分析及抗震安全评价 2 其宗心墙堆石坝三维静力有限元计算及湿化变形分析 2 1工程概况及模型的建立 2 1 1 工程概况 其宗水电站坝址位于云南省香格里拉县、维西县、玉龙县三县交界的金沙江上游河 段，距下游的石鼓镇约l o o k m ，下游至龙盘坝址约1 5 0 k i n ，上游至奔子栏坝址约1 0 2 k m ， 距香格里拉县约1 2 4 k i n ，距丽江市约1 5 5 k i n ，距昆明6 6 7 k m 。坝址控制流域面积2 1 1 0 万k m 2 。 工程以发电、供水、灌溉、防洪为主，总装机容量4 5 5 0 m w ，水库总库容1 6 3 4 3 1 0 8 m 3 ，挡水建筑采用心墙堆石坝，最大坝高3 5 6 m 。工程为一等大( 1 ) 型工程，永久性 主要水工建筑物( 拦河坝，泄洪和引水发电建筑物) 为1 级建筑物，下游消能防护工程 及其它次要建筑物为3 级建筑物。 本区地震基本烈度为7 度，水工建筑物按8 度设防。对非壅水建筑物取基准期5 0 年超越概率p 5 0 为o 0 5 ，设计地震动峰值加速度为o 1 7 1 9 ：对壅水建筑物取基准期1 0 0 内超越概率p 1 0 0 为0 0 2 ，设计地震动峰值加速度为0 2 9 7 9 。 根据水工布置、工程地质条件、水能资源利用、建设征地和移民安置、机电及金属 结构、施工组织设计、等方面的综合比较。采用下坝址心墙堆石坝方案。 ( 1 ) 挡水建筑物：心墙堆石坝、坝顶高程为2 1 5 8 m ：坝顶宽度2 0 m ：最大坝高为3 5 6 m ( 全挖) ；填筑总方量9 2 7 5 2 5 1 0 4 m 3 ；上游坝坡1 ：2 1 ；下游坝坡l ：2 0 ；心墙上、下 游坡度均为1 ：0 2 ，坝顶长度11 9 2 m 。 ( 2 ) 泄洪建筑物：由右岸开敞式溢洪道、右岸泄洪隧洞、右岸放空隧洞和下游护岸 工程组成。 ( 3 ) 引水发电建筑物：引水发电系统由电站进水1 5 1 、引水道、右岸岸边地面厂房组 成。 ( 4 ) 导流建筑物。右岸布置1 # 、2 群、3 毒、4 4 、5 4 、6 群导流隧洞。 上、下游均为土石围堰，围堰基础采用混凝土防渗墙防渗，上游围堰最大堰高6 1 m ， 下游围堰堰最大堰高2 8 m 。沿金沙江两岸存在不同规模的新老滑坡体、崩塌体和危石， 在外围或本地地震产生v i i 度烈度影响时，容易产生触发性滑坡、崩塌、危石滚落；在 有第四系沉积的工程区、沉积物中含淤泥、粉细砂或砂土，其分布深度为几米、十几米 或数十米时，在地震作用下会产生一定的砂土液化。 大连理工大学硕士学位论文 ，该坝属超高坝，且水利枢纽为一等工程，工程规模为大( i ) 型级别，坝址区的地震基 本烈度为v i i ，因此对其宗心墙堆石坝蓄水期的应力与变形以及地震情况下坝体的地震 响应进行深入分析，并对该坝的抗震性能进行综合评价，提出可行的抗震工程措施是非 常必要的。 2 1 2 模型的建立 作者采用a n s y s 软件建立了其宗心墙堆石坝的真三维模型。划分的单元网格如图 2 1 ，共计1 0 3 2 3 个单元，11 2 9 0 个节点。本文模拟了堆石坝施工和蓄水过程，加载级数 根据施工顺序确定，坝体施工加载共分2 3 级，坝体水荷载模拟蓄水过程，分为6 级蓄 水至正常水位。此三维模型的最大横、纵剖面图如图2 2 及图2 3 所示。 图2 1 三维网格剖分图 f i g 2 1 t h e3 dm e s ho f t h ed a m 刀 il | | f ll ， 一一，ll | m | j | f i lt ，|十i | | 城1t 1f | j | t1 门| | lt tj i 八 ，?，if i i ， l 川 t 八 l|ti|ii i i t i t 。川j t t l 卜 if i i il i | ti 忖甙、弋、之、弋? 、0 、0 、 l 、黼骶糙滴、声i 。i 、f 、声 、i 、f 、 、i 害i 、i i p 阪删、ii - il il 争、烯h i 一 图2 2 最大横剖面剖分图 f i g 2 2 t h em e s ho fm a x i m u ml l a n s v 懿o es e c t i o n 高心墙堆石坝三维有限元分析及抗震安全评价 图2 3 最大纵剖面剖分图 f i g 2 3 t h em e s ho f m a x i m u ml o n g i t u d i n a lp r o f i l e s 2 2 三维静力有限元计算方法简介 近代土石坝计算在土的本构理论及数值分析方法等方面都取得了很大的进步2 删， 本文静力分析采用三维非线性静力有限元分析方法，筑坝材料采用d u n c a n c t m n g 的双 曲线弹性非线性e b 模型。 2 2 1 基本原理 d u n c a n c h a n g 双曲线模型【3 5 。3 7 】属于非线性弹性模型，根据广义虎克定律建立弹性 矩阵【d 。考虑到土体本构关系的非线性，弹性矩阵【d 中的弹性系数e 、芦不再是常量， 而是随应力状态而改变的变量。当土体处于某一应力状态矗 时，若施加应力增量 仃 ， 则可用该应力状态下的弹性矩阵p 】来计算相应的应变增量 占) ，这时将广义虎克定律 写成增量虎克定律的形式： 仃 = 陋】 厶s j 。 在三维条件下，由增量虎克定律可得到如下的关系： 铲半旷尝吆屯目2 彳g 一o 一目 e池 ， 2 而毛+ 而翮喇。 扫 = 【谁 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 如果在土体的一个方向施加应力增量仃y ，而其它方向的应力不变，即应力增量为 零，可以得到如下的弹性系数e 、弘： 大连理工大学硕士学位论文 e ：堕 ( 2 4 ) 缸j t “：一垒( 2 5 ) a e y 土体常规三轴试验是在围压盯，不变下，加轴向偏应力p ，- - o ，) ，即只在一个方向 施加应力增量，而其它方向无应力增量，测出轴向应变s 。和体积应变占，从而可推求 出侧向膨胀应变。因此可由常规三轴试验确定增量虎克定律中的e 、。 2 2 2 本构模型的建立 ( 1 ) 切线弹性模量 由常规三轴试验结果，k o n d n c r 等人发现，对于某一围压仃，p l - - g 3 - - 6 。的关系 可近似用双曲线来模拟，见图( 2 4 ) ，如下式( 2 6 ) 所示： 仃，一口，。夏8 6 f 1 i , 式中，a 、b 为试验常数。上式可改写成： 士= 口+ 6 s 口 拶l - - 0 3 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 以g 口p ，一仃，) 为纵坐标，g 。为横坐标，构成新的坐标，则双曲线转换成直线，见 图( 2 5 ) ，其中斜率为6 ，截距为a 。 口i - 咿5 o s a 口1 一仃j 翻 o 图2 4 p l 一仃3 ) - 6 。关系曲线 f i g 2 4 t h ec u r v e so f ( 仃l a 3 ) a n d 占。 图2 5 s 。忙。- - 0 3 ) - 6 。关系曲线 f i g 2 5 t h ec i l t v e so fs 。“仃1 一仃3 ) a n d 口 高心墙堆石坝三维有限元分析及抗震安全评价 d u n c a n - c h a n g 利用上述关系推导出切线弹性模量公式( 2 8 ) 。 e ：纽：堂捌：丛剖( 2 8 ) 。占1缸。房。 将式( 2 6 ) 代入式( 2 8 ) ，得到式( 2 9 ) 。 e 2 耳苟 q 9 ) 联立式( 2 6 ) 和式( 2 9 ) ，得到式( 2 1 0 ) 。 互= 【1 6 b 。一仃，汗 ( 2 1 0 ) 口 撼( 2 6 坷妣凯川吼文去0 而 警上卅籼龇可，) 吃搠 l 仃l 一仃3 卅 ls 口 卅 始切线斜率，称初始切线弹性模量，用a 来表示。即有式( 2 i1 ) 。 口：= i ( 2 1 1 ) 上式表示口是初始切线弹性模量的倒数。试验表明，e 随仃，变化。如果在双对数坐 标上点l g ( e ，尸口) 和l g p ，p a ) 的关系，则近似为一条直线。这里只为大气压力，引入它 是为了将坐标化为无因次量。直线的截距为l g 七，斜率为拧。见图( 2 6 ) ，于是可得式( 2 1 2 ) ： 纠心” ( 2 1 2 ) 由式( 2 6 ) 还可见，当g 。_ o o 时，得到式( 2 1 3 ) 。 拈瓦了e 2 两 (213)03p l 一 九+ 。 p i c r 3 尢 、厶 这里用p 。一仃，l 表示当厶_ a o 时p ，一仃。) 的值。实际上，占口不可能趋向无穷大，在 达到一定值后试样就破坏了，此时的破坏偏应力为b ，一o 3 ) ，它总是小于p ，一口，) 。将 其比值定义为破坏比r ，可得到式( 2 1 4 ) 。 母= g ! - - g 西3 ) f ( 2 1 4 ) 将式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 代入式( 2 4 ) 中，得到式( 2 1 5 ) 。 大连理工大学硕士学位论文 度。 广 z 叫l - 乃稀卜 ( 2 1 5 ) 令s ：j 二年， p 1 一仃3 j ， s 称为应力水平。它表示当前应力圆与破坏应力圆直径之比，反映了强度发挥的程 破坏偏应力b 广仃，f 由极限摩尔圆，见图( 2 7 ) ，可推出式( 2 1 6 ) ： 0 i - - 0 3 ) ，= 丝竿孑血 ( 2 1 6 ) 将式( 2 11 ) 、( 2 1 6 ) 代入式( 2 9 ) 中，得到式( 2 1 7 ) 。 毒 一巧羔糕卜忍睦) ” 眨 式( 2 1 7 ) 表示e 随应力水平增加而降低，随固结压力增加而增加。其中k ，聍和r ，可 由常规三轴测得，c 、9 为强度指标，f g 可由g 规三轴测得。 ( 2 ) 切线体积模量 o i q 嚣 图2 6 l g e 只一l g c r 3 只关系曲线 f i g 2 6 t h ec u r v e s o fl g e i | p 口a n dl g c r 3 | p o o l 一臼i - 仍踣一 图2 7 极限摩尔圆 f i g 2 7 m o h r - c o u l o m bs l r e s sc i r c l e 最初，k u l h a w y 和d u n c a n 认为常规三轴试验测得的轴向应变s 。和侧向膨胀应变 ( 一g ，) 也可用双曲线来拟合，据此推导出切线泊松比芦，的表达式。后来在实际应用中发 高心墙堆石坝三维有限元分析及抗震安全评价 现，采用。和( 一s ，) 双曲线关系计算出的来p ，值常常偏大，与实际资料拟合并不理想。 因此，d u n c a n 建议采用切线体积模ib 。做为计算参数，以此代替，。 体积模量b 是平均主应力石与体积应变，之比，它与e 和p 之间的关系如式( 2 1 8 ) 所示： ! 一 肚而 1 8 在三轴试验中施加偏应力( o n - - 0 3 ) ，则平均主应力的变化为龉：鱼趔3 。因此 e ：型 ；。o u l c a n 等人假定，b 。与应力水平s 无关，即与p ，一仃，) 无关，它仅仅随 j 防。 固结压力口。而变。这相当于假定g ，与瓴一口，) 成比例关系。如果点绘缸，一仃，) 3 一，关系 曲线，得到一条近似直线，其斜率即为局。 对于不同的仃。，e 也不同。在双对数坐标上点绘l 如脚和l 如，p a ) 的关系曲线 近似地取直线，其截距为l g k , 。，斜率为朋。于是可得式( 2 1 9 ) a 骂却忍 q 1 9 ) 、耵 由于邓肯e - b 模型是针对二维问题提出的，为了推广到三维问题，以广义剪应力g 代替( q - - 0 - 3 ) ，以平均应力p 代替，即： g 2 每( q 吧) 2 + p ：刮2 + ( 0 - - - 0 2 ) 2 - ( 2 2 0 ) p = = 1 ( q + 吼+ 吒) ( 2 2 1 ) j 抗剪强度用三维问题的摩尔库伦准则取代( q 一口s ) j r ，即： 口，：孚2 1 1 里翌! 竺塑兰翌一 ( 2 2 2 ) 幻2 万蔷i i i 面 喵 其中以为洛德( l o d e ) 应力角，按下式计算： 见= t g - ( 一百1 心) ( 2 2 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 心= 1 2 1 凸 ( 2 2 4 ) 对于三维问题，式( 2 1 7 ) 、( 2 1 s ) - - - ( 2 1 9 ) 改写为： 弹肋( 跚吩笥 。弦2 5 ， e = 毛咖( 青j ( 2 2 6 ) 9 = 咖垮( 薏) 亿2 7 ， 如果s o 9 5 s , 一1 ，仍0 9 5 q f _ 1 ( 墨= 旦为应力水平) ，那么 = k 尸口( 乞) k ( 2 瑚) 2 2 3 中点增量法 增量法是将结构的全荷载分为若干级增量，逐级用有限元法进行计算。对于每一级 增量，计算时假定材料性质不变，做线性有限元计算解得位移、应变和应力的增量。而 各级荷载之间，材料性质变化，弹性矩阵嘲变化，反映了非线性的应力应变关系。 这种方法实际上是用分段直线来逼近曲线，可以模拟土坝的逐层施工填筑过程，见图( 2 8 ) 和图( 2 9 ) 。 中点增量法计算步骤【3 8 硐： ( 1 ) 用前级终了时的应力，也就是本级的初始应力 叫0 ，确定e 和b ，求得弹性 矩阵 仃 h ，相当图( 2 8 ) 中，一，点处的曲线斜率，如虚线局一。所示。 ( 2 ) 由【d 】h 形成刚度矩阵【司n ，相当于图( 2 9 ) 中m 一，点的曲线斜率，如虚线墨一，所 示。 ( 3 ) 解线性方程组f 豳h 艿 1 = 欲) h ，得到位移增量 筋 - l 。 ( 4 ) 由 6 ) h 求各单元应变增量 缸) 和应力增量 仃) h 。 ( 5 ) 求解平均应力 孑) ，= 仃) h + 仃) h 2 。 高心墙堆石坝三维有限元分析及抗震安全评价 ( 6 ) 由 孑) ，求 万】，相当图( 2 8 ) 中瓦点处的曲线斜率，如实线e 所示。再形成 司， 相当图( 2 9 ) 中面点的曲线斜率，如实线瓦所示。 ( 7 ) 解线性方程组 豆】， 否) ，= 衄 ，得到位移增量 面 ，相应的位移总量 艿) ，= 6 ，一，+ 6 ，。 ( 8 ) 由 否 ，求各单元应变增量 否) ，和应力增量 孑 ，。则应变总量 ) ，= f ) h + a a ，应力总量 仃) ，= 仃) h + 孑) ，。 对各级荷载重复e 述步骤，可得最后解答。 图2 8 非线性应力一应变关系 f i g 2 8 t h er e l a t i o no fn o n l i n e a r i t ys t r e s s - s t r a i n r 图2 9 非线性荷载一位移关系 f i g 2 9 t h em l a t i o no fl o a d - d i s p l a c e m e n t 中点增量法计算程序框图如图2 1 0 所示。 ( 1 ) 子程序l a y o u t 读输入数据，建立结点自由度和方程数的关系，计算带宽和自由 度总数，并计算土体的初始应力。 但) 子程序e l a w 计算弹性模量e 和体积模量b 。 ( 3 ) 子程序f o r m s t 和d e r i v e 建立单元的应变和位移关系矩阵lb 1 。 “) 子程序c a l b l k 确定本级荷载作用下结构的控制参数，如单元数、结点数。 ( 5 ) 子程序f v e , c t 形成荷载列向量 r 。 ( 6 ) 子程序i s q u a d 计算单元的刚度矩阵ik 1 。 ( 7 ) 子程序a d d s t f 形成结构的总刚矩阵x l 。 ( 8 ) 子程序s y m b a n 求解方程【豳 艿) = r ) ，解位移 占 。 ( 9 ) 子程序i s r s l t 计算应力