（水工结构工程专业论文）考虑堆石流变特性的面板坝三维有限元分析.pdf

摘要 碾压式混凝土面板堆石坝是2 0 世纪6 0 年代后期国际坝工界在扬弃传统的抛填式面 板堆石坝优缺点的基础上逐步发展起来的一种新兴坝型 以其投资省 工期短 安全性 好 就地取材 施工方便 导流简易 适应性广等优点 受到国内外坝工界的普遍重视 混凝土面板堆石坝的结构分析可采用线弹性有限元法 非线性有限元法和弹塑性有 限元法等 非线性有限元法和弹塑性有限元法计算结果在一定程度上能反映面板堆石坝 结构的工作性态 然而 堆石科既不是弹性体 也不是塑性体 是具有弹性 塑性和粘 滞性的综合体 这类材料的变形除与应力有关外 还受时间因素的影响 通常把这种材 料特性称为流变性 混凝土面板堆石坝的重要问题还是怎么解决好坝体的变形量 流变 对坝体变形的影响主要体现在时问因素上 很多面板堆石坝在完建后几年甚至几十年后 其沉降量仍然继续 因此在考虑流变影响的基础上解决面板堆石坝的变形问题 对面板 堆石坝在我国的发展有重要意义 本文首先介绍了水工结构工程中的非线性有限元的弹塑性基本理论 明确了在弹塑 性基本理论下材料的基本方程 本构关系和屈服准则 介绍了流变产生的机理以及目前 存在的各种流变模型 本文采用了六参数流变模型 经过大量阅读已有的有关水利工程 数值模拟方面的文章 了解数值模拟在水工结构工程中的常用方法 本文在有限元软件 a n s y s 的基础上对其进行了二次开发 利用a p d l 语言编写了适合堆石体的本构关系 的数值模型 对于六参数流变模型 是通过对a n s y s 软件内部关于材料特性的子程序 进行了修改 将六参数流变模型做为子程序调入进行计算 接着紧密结合下六甲混凝土 面板堆石坝工程 详细研究了在不同工况下堆石的沉降量和应力应变对面板的影响 计 算了不同工况考虑流变的影响的堆石体沉降与应力应变 在此基础上研究了面板的应力 变形 通过将不考虑流交和考虑流变的两种计算结果进行了对比分析得到 流变对坝体 堆石以及面板的应力变形都有较大的影响 关键词 混凝土面板堆石坝 三维有限元 a n s y s 二次开发 流变 a b s t r a c t r o l l e d c u n c r e t ef a c er o c k f i l ld a mw h i c hh a sd e v e l o p e ds i n c et h el a t eo f1 9 6 0 su n d e rt h e e f f o r t so ft h ei n t e m a t i o n a ld a mw o r k e r si sak i n do fn e wd a m w i t ht h em e r i t so ft h e t h r o w e d f i l l e df a c er o c k f i l ld a ma n dw i t h o u tt h ed e f e c t so f i t t h er o l l e d c o n c r e t ef a c er o c k f i l i d a mh a sb e e ng i v e ng r e a ta t t e n t i o nb e c a u s eo fi t ss t r o n g p o i n ts u c ha sl i a l ei n p u t s h o r tp e r i o d g o o ds e c u r i t y e a s yf i n d i n gm a t e r i a l s c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n f a c i l i t yr i v e rd i v e r s i o na n d w i d ea d a p t a b i l i t y m e t h o d ss u c ha sl i n e a re l a s t i cf i n i t e e l e m e n tm e t h o d n o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n tm e t h o d a n de l a s t i c p l a s t i c i t yf i n i t e e l e m e n tm e t h o dc a nb eu s e di nt h es t r u c t u r a la n a l y s i so fc o n e r a e f a c er o c k f i l ld a m t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r so ft h ef a c er o c k f i l ld a mc a nb er e f l e c t e db yt h e r e s u l t so fn o n l i n e a rf e ma n de l a s t i c p l a s t i cf e mi nac e r t a i ne x t e n t h o w e v e r t h er o c k f i l l w h i c hi sn e i t h e re l a s t i cb o d yn o rp l a s t i cb o d yi si n f a c tas y n t h e s i sw h i c hh a sq u a l i t i e so f e l a s t i c i t y p l a s t i c i t ya n dv i s c i d i t y e x c e p ts t r e s s t i m ea l s oh a si n f l u e n c eo nt h ed i s t o r t i o no f t h er o c k f t l l a n dt h i sk i n do fm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i ci so f t e nc a l l e dr h e o l o g i cc h a r a c t e r t h e m o s ti m p o r t a n tm a t t e ro f t h ec o n c r e t ef a c er o c k f i l ld a mi st oc o n t r o lt h ed i s t o r t i o no f t h ed a m b o d y a n dt h ed a md i s t o r t i o nr e s u l t e db yt h er h e o l o g i cc h a r a c t e ri sg r e a t l yi n f l u e n c e db yt i m e a n dm a n yf a c er o c l d i l ld a m sa l s oh a v es e d i m e n t a t i o ns e v e r a ly e a r sa f t e ri t sc o m p l e t i o n s o c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h et h e o l o g i cc h a r a c t e rw h e ns o l v i n gt h ed i s t o r t i o no f t h ef a c e r o c k f i l ld a mi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h er o c k f i l ld a mi nc h i n a f i r s t t h ei n t r o d u c t i o no f t h eb a s i ce l a s t i c p l a s t i c i t yt h e o r i e so f t h en o n l i n e a rf m e i nt h e h y d r o s t r u c t u r ep r o j e c t si sg i v e ni nt h i sp a p e r t h e nt h eb a s i ce q u a t i o n s c o n s t i t u t i v er e l a t i o n s a n dy i e l dr u l e so f t h em a t e r i a l su n d e rt h ee l a s t i c p l a s t i cc o n d i t i o n sa r es h o w e d n l ep a p e ra l s o h a sg i v e nt h em e c h a n i c so ft h er h e o l o g i cc h a r a c t e ra n ds e v e r a lk i n d so fr h e o l o g i c a lm o d e l s a n dt h es i x p a r a m e t e rr h e o l o g i c a lm o d e li su s e di nt h ep a p e r a f t e rr e a d i n gl o t so fp a p e r s w h i c ha r er e l a t e di nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h eh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g t h ea u t h o rg i v e s m a n yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sw h i c ha r ec o m m o nu s e di nh y d r a u l i c s t r u c t u r ep r o j e c t s t h ep a p e rh a su s e dt h ef e ms o f t w a r ea n s y sa n dg i v e nt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fi t a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw h i c hf i t st h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n so fr o c k f i l li se s t a b l i s h e db y t h eu s eo fa o d ll a n g u a g e a f t e rt h em o d i f i c a t i o no ft h em a t e r i a lq u a l i t ys u b r o u t i n ei nt h e a n s y s ys o f t w a r e t h es i x p a r a m e t e rr h e o l o g i c a lm o d e li sc a l l e di nt od oc a l c u l a t i o na sa s u b r o u t i n e a c c o r d i n g t ot h ex i a l i u j i ac o n c r e t ef a c er o c k f i l ld a m t h es e d i m e n t a t i o n q u a n t i t yi nd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n sa n dt h ei n f l u e n c eo nt h ed a mf a c eb yt h es t r e s sa n d s t r a i na l er e s e a r c h e d a n dt h es e d i m e n t a t i o nq u a n t i t y s t r e s sa n ds t r a i nw h e nc o n s i d e r i n gt h e i n f l u e n c eo f r b e o l o g i cc h a r a c t e ra l ec a l c u l a t e d a f t e rt h e s ec a l c u l a t i o n st h es t r e s sa n ds t r a i no f t h ef a c ei s s t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h er e s u l t so ft h et w o m e t h o d sw h i c hc o n s i d e ro rn o tc o n s i d e rt h er h e o l o g i cc h a r a c t e r c o n c l u s i o nt h a tt h er h e o l o g i c c h a r a c t e rh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h es t r e s sa n ds t r a i no f t h ef a c ec a nb ea c h i e y e d k e yw o r d s c f r d t h r e e d i m e n s i o n a lf e m a n s y s s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t r h e o l o g i e c h a r a c t e r 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 7 年 月2 日 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理 论文作者 签名 主考 睢 即年 月户日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 碾压式混凝土面板堆石坝是2 0 世纪6 0 年代后期国际坝工界在扬弃传统的抛填式面 板堆石坝优缺点的基础上逐步发展起来的一种新兴坝型 以其投资省 工期短 安全性 好 就地取材 施工方便 导流简易 适应性广等优点 受到国内外坝工界的普遍重视 混凝土面板堆石坝 c f r d 由防渗体 垫层区 过渡区 堆石区四部分组成 其 中过渡区和堆石区又可合称为堆石体 上游面板是防渗体 用来防止上游的库水通过坝 体向下游渗漏 其材料可以用钢筋混凝土材料或者沥青混凝土材料等 挚层区位于防渗 体与过渡区之间 由高密实度的碾压的小粒径砂组成 该部分为面板提供了一个平整的 浇注平面 并将水压力均匀地向过渡区及堆石区传递 缓和堆石区变形对面板的影响 过渡区位于垫层区与堆石体之间 用以实现垫层与堆石的过渡 堆石体一般由级配合理 的大小块石堆筑而成 占面板坝体积的绝大部分 块石与块石之 自j 不采用水泥砂浆或水 泥石灰砂浆等胶结材料填充 因而块石之问存在有空隙 不相互胶结仅相互接触 面板 堆石坝在承受水压力 地震力和其它荷载等作用下 主要依靠堆石的重量和抗剪强度来 保持整个坝体的稳定 中国最早的堆石坝是1 9 5 7 年建成的狮子滩混凝土重力墙式的抛填堆石坝 最早的 面板堆石坝是1 9 6 6 年建成的贵州百花水电站大坝 高4 8 7 m 系抛填堆石 坝轴线上游 有干砌石垫层 上游坡坡比为l 0 6 混凝土面板支撑在埋入基岩的混凝土基座上 这种 坝型没有得到发展 中国以现代技术建设面板堆石坝始于1 9 8 5 年 面板堆石坝具有工 期短 造价低 安全性好等优点 因而得以不断发展 但是真正导致它飞速发展的原因 是6 0 年代末重型振动碾分层碾压堆石方法的采用 使得经过良好碾压的堆石具有较高 抗剪强度和较小变形 解决了因堆石变形过大而导致挡水面板开裂 造成严重漏水及一 系列危及坝身的问题 满足了面板及坝体正常运行的要求 迄今为止 全世界高于5 0 m 的混凝土面板堆石坝中建成的为1 5 2 座 在建的为3 4 座 仍在可行性研究阶段且以混凝 土面板堆石坝为首选坝型的为3 2 座 混凝土面板堆石坝在中国虽然起步较晚 但从上 世纪八十年代至今的二十多年时间内 我国的面板堆石坝筑坝技术取得了长足的发展 无论从建坝数量 还是建坝高度都处于世界前列 混凝土面板堆石坝的设计和施工在较 大程度上依赖于工程经验 但随着对筑坝材料的工程特性以及大坝应力变形模拟技术的 深入研究 理论成果在工程设计和工程运行管理中的指导作用已越来越大 特别是对于 l 河海大学硕士学位论文 2 0 0 m 以上级的高面板堆石坝以及特殊地形地质条件下的面板堆石坝 还没有成熟的工 程经验可循 理论研究成果就成为工程设计的重要依据 混凝土面板堆石坝的结构分析可采用线弹性有限元法 非线性有限元法和弹塑性有 限元法等 非线性有限元法和弹塑性有限元法计算结果在一定程度上能反映面板堆石坝 结构的工作性态 然而 堆石料既不是弹性体 也不是塑性体 是具有弹性 塑性和粘 滞性的综合体 这类材料的变形除与应力有关外 还受时间因素的影响 通常把这种材 料特性称为流变性 混凝士面板堆石坝的重要问题还是怎么解决好坝体的变形量 流变 对坝体变形的影响主要体现在时间因素上 很多面板堆石坝在完建后几年甚至几十年后 其沉降仍然继续 因此在考虑流变影响的基础上解决面板堆石坝的变形问题 对面板堆 石坝在我国的发展有重要意义 1 1 1 面板堆石坝的发展简史 自开始建筑堆石坝以来 随着经验的积累 新型施工机械的制成 堆石坝的设计和 施工技术以及坝的结构形式都得到不断的发展 面板堆石坝的发展经历了一个多世纪 1 1 1 其大致经历了以下三个阶段 1 1 初期阶段 1 8 5 0 年至1 9 4 0 年为初期阶段 美国加利福尼亚希拉山脉的会矿开采区最早出现了 面板堆石坝的雏形 用木板作为防渗面板 用抛填石料作为木面板的支撑 后来由于技 术的进步和更高的生产要求 木面板逐渐被混凝土面板所替代 这一时期所建的具有代 表性的面板堆石坝有美国1 9 2 5 年建成的高8 4 m 的狄克斯河 d i xr i v e r 坝和1 9 3 1 年 建成的高1 0 0 m 的盐泉 s a l ts p r i n g 坝 这一时期堆石区的施工都采用抛填作业 堆石 的密实度很低 堆石的变形模量相应较低 沉降和水平位移量较大 随着坝高的增加 堆石体在自重和水压力下产生较大的变形 混凝土面板难以承受更大的变形 从而导致 严重的开裂和大量的漏水 当时最高的盐泉坝 蓄水后面板发生严重裂缝和渗漏 致使 该坝多年不能正常使用 上述问题的出现使人们对面板堆石坝的安全可靠性产生了怀 疑 以致在这之后较长一段时期内 这种坝型的发展处于停滞状态 2 过渡阶段 1 9 4 0 年至1 9 6 5 年为过渡阶段 随着筑坝高度不断增加 刚性的混凝土面板不能适 应抛填堆石的变形而开裂 导致渗漏问题同趋严重 相反 带有反滤层的粘土心墙却能 适应抛填堆石的较大变形而保证其防渗性能 1 9 4 0 年以后 面板堆石坝逐步被土质心墙 坝和土质斜心墙堆石坝所替代 土坝施工中的薄层碾压技术逐步渗透到堆石坝的施工 2 第一章绪论 中 例如1 9 5 8 年完建的库契 q u o i c h 坝一 坝高3 8 m 堆石体采用每层厚度6 0 c m 先用i o t 平碾压平 后用3 5 t 振动碾振动压实的方式进行填筑 其后监测到的施工期最 大沉降仅为i g c m 表现出良好的性态 1 9 6 0 年美国土木工程师协会召开的关于堆石坝 的专题会议上 著名土力学家太沙基 砌曲i 分析了抛填堆石产生较大变形的机理p 同时指出薄层碾压筑坝可以提高堆石密实度 减小变形 3 现代发展阶段 1 9 6 5 年至今为面板堆石坝的现代发展阶段 1 9 6 0 年以后 随着大型振动碾的问世 心墙堆石坝和面板堆石坝完成了由抛填筑坝到薄层碾压筑坝方式的过渡 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小 面板的工作性态大为改善 从而使面板堆石坝又重 新崛起 1 9 6 7 年西班牙皮迪斯 p i e d i a s 坝首次采用滑模施工工艺浇筑面板获得成功 形成面板堆石坝的另一个技术特点 另一个发展趋势是建设重点向发展中国家转移 面 板堆石坝起源于美国 然后传到澳大利亚 继而传到南美洲的巴西和哥伦比亚 2 0 世纪 8 0 年代中期中国引进这一坝型后 也有了很大发展 1 9 8 8 年至1 9 9 0 年我国建成了首批 1 0 座面板堆石坝 3 3 1 1 9 9 9 年建成天生桥一级工程 拍 坝高1 7 8 m 目前我国正在修建的 n 孙 水布垭面板堆石坝高达2 3 3 m 一 是当今世界上最高的混凝土面板堆石坝 表1 2 1 为 世界范围内已建以及正在修建的高混凝土面板堆石坝 2 1 新型混凝土面板堆石坝与第一 第二阶段的堆石坝相比 具有以下改进特点 1 除了利用振动碾碾压堆石区可获得较高的密实度与较大的变形模量外 还可利 用振动碾碾压面板垫层区 代替了以往用人工堆砌或吊车铺设的施工方法 大大简化了 施工 加快了旌工进度 2 采用粒径较小 级配良好的石料 用振动碾碾压过渡区挚层 提高了垫层的密 实度与均匀性 而且具有低透水性 可起临时挡水的作用 3 放宽了对堆石区石料的强度要求 4 根据堆石体各部分在库水压力下的受力情况 将堆石区又划分为若干分区 视 各分区的受力情况 分别提出对各分区的石料和碾压要求 这样 可使对石料的要求更 为合理 并可加快施工 降低造价 5 混凝土面板取消了水平向伸缩接缝 改为施工接缝 便于利用滑模连续浇筑 简化了施工 可加快施工进度 3 河海大学硕士学位论文 6 改进了混凝士底座的结构型式 从以往的截水齿槽式底座改为趾板式底座 可 避免槽挖 简化施工 7 改进了面板与底座问周边缝和面板上下向伸缩接缝内的止水设施 使能更好地 适应周边缝与伸缩缝两侧的相对位移 避免止水遭受损坏 减少渗漏 表1 2 l高混凝土面板堆石坝 坝高 序号坝名 国家完建年备注 m l 天生桥一级中国 1 8 01 9 9 9 亚洲最高 2 阿瓜密尔巴墨西哥 1 8 7 1 9 9 3 世界最高 3阿里亚 巴西 1 6 01 9 8 0 1 9 8 1 年最高 4 美索柯拉希腊 1 5 01 9 9 4 欧州最高 5 辛戈巴西 1 5 01 9 9 4 滑模浇筑趾板 6 萨尔瓦兴那哥伦比亚 1 4 81 9 8 5 1 9 8 5 年最高砾石坝 7 塞格雷多巴西 1 4 51 9 9 2 上游坡1 1 3 8 默霍尔莱索托 1 4 52 0 0 1 非洲最高 9 安其卡亚哥伦比亚 1 4 01 9 7 4 1 9 7 4 年最高 l o 考兰泰国 1 3 01 9 8 4 趾板廊道 1 l 格里拉斯哥伦比亚 1 2 51 9 7 8 极窄河谷 1 2 依塔巴西 1 2 52 0 0 0 首次用挤压式边墙 1 3 马奇丁霍巴西 1 2 52 0 0 1 高挡土墙上的趾板 1 4 伊泰普比巴西 l o o2 0 0 2 上游坡l 1 2 5 1 1 2 面板堆石坝的特点 与其它坝型相比 混凝土面板堆石坝具有以下几方面的特点 1 安全可靠性方面 面板堆石坝具有良好的抗滑稳定性 水荷载的水平推力大致为堆石体及水重的1 7 左右 而且水荷载的合力在坝轴线的上游即可传到地基 堆石碾压密实后抗剪强度比较 高 而且堆石透水性强 几乎可以不受渗透压力的影响 因此 在实际的设计工作中 一般不必作抗滑稳定计算 面板堆石坝还具有很好的抗渗稳定性 堆石一般都有棱角 随着填筑高程的增加 即使下部的堆石会有一部分被压碎 也是有棱角的 所以一般不 4 第一章绪论 会发生渗透变形 另外因为不受渗透压力的影响所以混凝土面板堆石坝具有良好的抗震 性能 随着施工机械的改进 现代面板堆石坝碾压后的沉陷量也比较小 2 施工经济方面 因为堆石体能直接挡水过水 所以可简化施工导流及渡汛 枢纽布置紧凑 主要体 现在泄水建筑物紧挨大坝 能充分利用当地材料 做到料尽其用 若有挡水要求 面板 也可以分期施工 便于机械化旌工且受气候的影响小 因此施工简单 造价较低 工期 短 适应性广 正因为混凝土面板堆石坝有上述这些特点 所以在现代坝工设计中 几乎所有的高 坝枢纽都将钢筋混凝土面板堆石坝与土心墙 土斜墙堆石坝及拱坝作方案比较 1 1 3 面板堆石坝的研究现状 f 1 堆石料的力学性质分析 筑坝材料关系到坝体本身的质量 安全度汛 工程总进度和投资效益 针对高面板 堆石坝 对坝体进行合理分区 确定良好的坝料级配和压实指标 减少堆石体变形 改 善面板工作条件 吸收以往经验的同时对具体问题做针对性研究 2 0 0 m 级乃至3 0 0 m 级高面板堆石坝在技术上能够成立 高面板堆石坝的主要技术问题是坝体堆石变形 若变形过大可能导致周边缝张开过 大造成止水失效 面板开裂而造成漏水通道 因此现代阶段对高c f l m 坝料主要作了以 下几个方面的研究 面板坝主堆石料特性研究 面板坝挚层料工程特性和防渗自愈措施 研究以及坝料碾压研究等 取得了丰硕的成果 得出以下结论 1 不同筑坝材料对坝 体变形影响有较大的不同 2 筑坝材料对面板变形和应力有显著影响 面板的变形差别 导致面板应力特别是拉应力差别较大 3 合理设计坝体分区 选用低压缩性 高变形 模量的筑坝材料 确定良好的坝料级配和压实指标 减少堆石体变形 改善面板工作条 件 对2 0 0 m 乃至3 0 0 m 级高面板堆石坝在技术上能够成立 2 应力应变分析 自从大型机械振动碾的出现 使处于发展停顿的面板堆石坝坝型重新被世人重视 振动碾在很大程度上提高了面板堆石坝堆石的密实度和变形模量 但是随着堆石坝坝高 不断升高 大坝变形仍然成为一个突出的问题 因而研究坝体的应力与变形是一个重要 课题 f 1 2 0 世纪6 0 年代后期 有限单元法开始应用于土石坝的应力应变分析以来 很多 学者投入了很大的精力 对面板堆石坝坝体的变形问题进行了深入的研究 我国自1 9 8 5 年以来 经过十多年的努力 在面板堆石坝的应力应变分析方面做了大 s 河海大学硕士学位论文 量的研究工作口1 锄 已从探索逐步走向成熟 目前国内面板堆石坝数值分析中堆石料采 用的的本构模型一般可分为非线性弹性模型和弹塑性模型两大类 其中非线性弹性模型 主要有d u n c a n e v 模型 d u n c a n e b 模型 清华k g 模型 弹塑性模型主要有 南水 双屈服面模型嗍和殷宗泽双屈服面模型 3 o 3 河谷形状对面板堆石坝的影响 自从大型振动碾的出现 使得面板堆石坝的堆石料具备了较好的抗剪能力 较小的 坝体变形 但是随着建造的面板堆石坝越来越高 坝体的变形问题还是目前一个重要课 题 与坝体变形直接相关的是堆石料的变形模量 影响变形模量的因素很多 除了碾压 度 堆石料本身的属性 还有河谷的形状对堆石料碾压后的模量有较大的影响 根据很多已建面板堆石坝的监测比较发现 各个坝体的堆石料的模量有很大的差 异 通常这并非源于压实的程度和多样性 因为我们知道对每个坝压实的要求大部分都 是基本相同的 这点可以由很小的现场观测密度变化所证实 经过比较发现 由于坝体 建造在狭窄的河谷中 在同样碾压的要求下可以得到较高的堆石模量 这是由于其模量 值因岸坡的拱作用而被进一步提升 4 流变对面板堆石坝的影响 非线性弹性和弹塑性有限元法用于面板堆石坝的应力应变分析 其计算结果在一定 程度上反映了大坝结构的工作性态 但是上述分析方法都无法反映大坝结构的时间效应 n 蚋 一 实际上面板堆石坝中的堆石料既不是弹性体 也不是塑性体 而是具有弹性 塑性 和粘滞性的综合体 这类材料的变形除与应力有关外 还受时间因素的影响 即具有流 变性 面板堆石坝检测资料表明 大多数情况下堆石的流变在现场检测中都比较明显 堆石的流变特性对大坝结构的影响比较显著 研究堆石流变特性主要有三个途径 翊 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 模型参数通过试验测出 二是根据室内试验 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 三是通过对已建工程检测资料的反分析 在宏观上得出 描述堆石流变的某种规律和参数 进而类比分析其它工程 理论上流变参数可通过室内 或现场试验测定或通过反演分析确定 但是 堆石流变参数在室内进行试验的难度较大 反演分析确定流变参数可以较真实地模拟现场加载历史 但获得的参数是一种外界环境 因素综合影响的结果 不便于分析各因素的影响效应 所以对堆石的流变分析研究还有 很多工作需要进行 6 第一章绪论 1 2 本文所做的主要工作 本文在查阅大量资料的基础上 了解了当前面板堆石坝的发展以及当前面临的问 题 在有限元分析方法的基础上 结合下六甲面板堆石坝工程的实际情况做了一些研究 由于水平和时间有限 论文主要完成了以下的工作 1 通过查阅大量资料 系统的阐述混凝土面板堆石坝的发展历程 研究的意义 以及目前的发展现状 2 参考相关资料 阐述了水工结构工程中的非线性有限元的弹塑性基本理论 3 结合非线性有限元的基本理论 叙述了水利工程数值模拟的常用方法 并详细 介绍了a n s y s 有限元仿真分析软件的部分相关内容 3 为了合理的预测面板堆石坝的应力变形特性 在学习大型通用软件a n s y s 的同 时 并利用a p d l 语言对其进行了二次开发 编制了适合堆石体材料的本构模型 修正 的邓肯e b 模型 程序 对坝体进行应力应变分析 在面板和挚层之间设置了接触面单 元 在周边缝和面板缝连接处设置了连接单元 并利用a p d l 语言编程对a n s y s 的运 行进行控制 得出流变现象对堆石体的影响 4 根据本文对面板堆石坝三维有限元的计算结果 在不同的工况下 分析了堆石的 流变现象对面板堆石坝坝体的影响 并将计入流变和不计流变的计算结果进行比较 得 出一些有用的结论 1 3 本章小结 本章简单的介绍了研究面板堆石坝的目的和意义及其发展历程 并从安全可靠性 施工经济方面简单介绍了面板堆石坝的特点 在介绍混凝土面板堆石坝的研究现状里 主要是从堆石料的力学性质 应力应变分析 河谷形状对面板堆石坝的影响以及流变对 面板堆石坝的影响几个方面进行了简单介绍 7 河海大学硕士学位论文 第二章堆石料流变特性分析 2 1 流变理论的发展起源 鳋l 流变学是由化学 分子物理 固体力学的边缘学科发展起来的一门新科学 1 9 2 8 年由b l n g h a m 建议 于1 9 2 9 年成立了美国流变学会 被公认为是流变学历史的新纪元 随着现代工程技术的发展 流变学在各工程和生产领域中 得到广泛的研究和应用 五 六十年代 国内学者已开始注意流变学的介绍和研究 1 9 8 5 年成立了中国化学和流变学 专业委员会 岩土的流变特性 5 0 年代以i 国内外研究者颇少注意 由于某些岩土工 程因流变破坏引起事故 如坝 桥 建筑物地基基础 海堤 边坡 地下工程围岩变形 而引起科技界的重视 1 9 4 8 年荷兰的g e u z ee c w a 和陈宗基 首先开始对土流 变学进行了系统的科学研究 应用实心圆柱土样的扭转试验 提出b i n g h a m 粘滞塑性流 动定律对土的适用性 5 0 年代以来 流变学在岩土工程领域内的研究和应用取得了很大 的进展 使岩土工程流变力学发展成为工程力学的一个独立分支 从事研究解决岩土流 变性质对岩土工程结构物和构筑物的强度 刚度和稳定性的影响 近2 0 年来 由于岩 石流变实验设备及测试方法的逐步完善 以及广泛的国际学术交流 促进了岩土流变实 验和理论研究的发展 现代对岩土工程流变力学的研究 大致有二个方面 一是研究在剪切作用下岩土体 以长期位移形变形式出现的剪切蠕变 即剪切 二是研究由岩土骨架蠕变所引起的岩土 的体积变形亦即固结 压密或剪胀 岩土工程实践的需要促进岩土体流变实验和建立力 学模型的理论研究 由于岩土体是复杂的 非均质的介质 要根本上使理论解和岩土实 际性状接近 尚待研究 2 2 堆石的流变性质 堆石的流变规律是应力 应变与时间的函数 它表现为蠕变 松弛 流动 弹性后 效与长期强度的特性 1 蠕变特性 在恒量荷载作用下 总应变随时间发展而增长的现象 2 应力松弛特性 在保持应变恒量的情况下 应力随时间发展而逐渐衰减的 现象 3 流动特性 或粘滞特性卜一堆石的应变速率是应力的函数 即应变速率随着应 力逐渐增长的现象 4 弹性后效 弹性应变随着时间变化的现象 即加载 卸载 后弹性变形逐渐增 3 第二章堆年i 料流变特性分析 加 减少 到某一极限值 5 长期强度 在长期受荷作用下 堆石的强度随受荷时间的增长而改变的性 能 2 2 1 蠕变特性 堆石的蠕变特性可以通过单轴或三轴压缩 单剪 扭转或弯曲等蠕变实验研究获得 实验表明 在长时问恒荷载的作用下 堆石的典型蠕变曲线如图2 2 1 所示 变形等于 承受荷载后立即产生的瞬时弹性变形与随时间发展的变形之和 即 以 y f 伯 b 图2 2 1变形随时间变化的蠕变曲线 a 一衰减蠕变 b 一非衰减蠕变 岩土的蠕变可分二种情况 第一种情况 称衰减蠕变过程 变形 f 以减速发展 速度最后趋向于零 即车专0 g t 而其变形值 f 趋向于与荷载值有关的某一稳定值且不导致岩土发生破坏 儿为某一稳 定值 几 常量 与载荷大小 岩石性质 围压等因素有关 第二种情况 称非衰减蠕变过程 岩土体中的应变随时间逐渐增长 并不趋近于某 一稳定值 达到某一阶段应变率急剧增加 最后导致破坏 非衰减蠕变是在堆石试件上 施加某一恒定荷载后堆石立即产生瞬时弹性应变y o o a 段 若荷载保持恒定且持续作 用 应变则随时问继续增长 此时已进入蠕变阶段 它一般包括三个阶段 1 第1 蠕变阶段 图2 2 1 b 的a b 阶段 或称为衰减阶段 蠕变曲线的斜率 逐渐变小其应变率随时间迅速递减 变形以减速发展 当达到b 点 则应变率处于本阶 段的最小值 若在此段中 曲线上某点e 进行卸载 则应变 沿着曲线e f g 下降 最后 应变为零 其中e f 曲线为瞬时弹性应变儿之恢复曲线 而f g 曲线表示应变随时间逐 q 河海大学硕士学位论文 渐恢复为零 在卸载后应力立即消失 而应变不与应力同步恢复 而总是落后于应力 却随时间逐渐恢复 具有这种特性的弹性变形称为滞弹性或弹性后效 2 第n 蠕变阶段 b c 段 或称稳定蠕变阶段 蠕变曲线近似一倾斜直线 应变速 率大体恒定不变 y 常量 一直随时间发展持续到c 点 若在此段内任一点h 进行卸 载 则应变沿曲线h i j 逐渐恢复趋近于一渐近线 最后保留一定永久应变炜 3 第1 i i 蠕变阶段 c d 段 称为加速蠕变阶段 应变率由c 点开始迅速增加 达 到d 点 导致堆石发生破坏 脆性的或粘滞性的破坏 此段还可分成两段 发展着的塑 性变形但尚未引起破坏的阶段 c p 段1 和微裂隙强烈发展导致变形剧增和引起破坏的阶 段 d p 段 此阶段又称破坏阶段 任一蠕变阶段的持续期间 决定于堆石的性质和荷载值 同种岩石 荷载越大 第 1 i 阶段的持续时间越短 第1 i l 阶段出现越快 在很大荷载下 几乎在加载之后立即产 生破坏 在中等荷载下 所有的三个蠕变阶段表现得十分清楚 无论是衰减蠕变还是非衰减蠕变 界限关健在于岩土的蠕变极限应力 亦即长期强 度 若堆石体中的应力小于极限应力 将产生衰减蠕变 即使时间继续增长也不能产生 破坏 反之 若堆石体中的应力等于或大于极限应力 堆石体才出现蠕变变形导致破坏 2 2 2 应力松弛特性 堆石体在一定的变形下应力随时间而衰减的特性称为应力松弛特性 试验时将试验 体瞬时地施加一个不超过标准强度的初始剪应力 f 0 以后维持它所引起的初始变形 y 不变 测定剪应力随时间的变化 松弛现象通常的解释 认为是出于蠕变的结果 由于材料分子的热运动 使变形由弹性变形全部或部分变为塑性变形 从而减小了与弹 性变形相对应的应力 图2 2 2 为不同初始应力试验而得的松弛曲线 堆石的应力松弛 现象 在堆石压力问题中有着重要的意义 t y o c o n s t t 心 第一二章堆石料流变特性分析 研究 在试验的基础上 对各种特性 蠕变 应力松弛 流动与长期强度 以曲线表征 拟合描述堆石体复杂变形现象的力学模型和数学模型 表达堆石的应力 应变和时间关 系的物理方程或本构方程 2 2 3 流变特性假说 岩土体在外力作用下将发生变形 按变形性质可分为弹性变形 粘性流动和塑性流 动 弹性变形是指应力和应变间存在着互为单值函数的对应关系 在应力消除后 变形 也立即消失 只发生弹性变形的物体称为弹性体 也称虎克体 是弹性力学的研究对象 塑性变形是当剪切应力小于某一极限值 屈服应力 时不发生剪切应变 若剪切应力 达到该极限值时就立即发生极大的剪切应变 则将在此一瞬时发生的剪切应变称为塑性 流动 具有此性质的物体称为刚塑性体也称为圣维南体 即塑性力学的研究对象 粘性流动是指液体在剪应力的作用下 剪应变将随时间发展而不断增加 若剪应力 和剪应变的速率成正比 具有此性质的材料称为牛顿液体 它是流变力学的研究对象 物体产生粘性流动属性可用粘滞系数表征 如图2 2 3 所示 定义为两个相距一单位距离的平行平面 其中充满了粘性物质 一剪应力作用在其 中的一个平面上 使该平面产生单位速度的移动 此剪应力称为粘滞系数r 图2 2 3 剪切变形示意图 当物体受剪应力f 而变形时 取单元矩形体 底部固定 面层以速度v 向右移动 即因剪力而产生剪变形 用 表示剪应变 如图2 2 3 所示 r 拿 2 2 1 2 面 牛顿液体剪应力r 和动平面的移动速度v 存在有一定关系 则 河海大学硕士学位论文 立 三 2 2 2 d yr 式中 孚 速度梯度 砂 堆石体不只具有弹性 塑性 还具有非均质性 非连续性 各向异性和流变性的特 征 描述岩石和土体的基本性质 或多或少同时具有弹性 塑性 粘性的性质 称为弹 一粘一塑性体 研究堆石体在外力作用下 或地质环境应力场变化 所发生的应力 应变 和与时问因素有关的流动 为拟合流变模型提供基础 2 3 堆石体流变模型 堆石是具有弹件 塑性和粘性的综合性流变体 堆石的流变特性可以通过试验来获 得 为了能够对堆石流变性态进行分析研究 必须在实验的基础上 拟合出描述堆石流 变规律的数学表达式 此种表达式一般应反映应力 应变 时间等主要物理量问的关系 这种反映流变规律的方程称为流变体的本构方程 由于堆石的性质和所存在的物理环境 及条件的差异 所反映的流变规律不同 建立的表达式各异 模拟堆石的流变性念 以 两种途径来拟合 1 模型理论 微分方程法 式的本构方程 描述堆石的流变特性 应用比拟方法 建 立微分形式的本构方程 2 积分方程式法 描述堆石的流变特性 考虑其加荷和变形的历史的继承效应 采 用积分形式的本构方程 2 3 1 堆石流变的基本模型 流变模型是流变学中用来描述材料复杂变形现象的一种工具 常视堆石流变体为弹 性粘性塑性体 基本模型如下所述 铆 1 弹性体模型 弹性体或称r h o o k e 体 简称h 体1 结构模型用一根弹簧表示 模型符号为h 其受力和形变关系服从虎克定律 在施加荷载后 弹簧的变形立即发生 卸载后 弹簧 的变形立即恢复 其流变特性如图2 3 2 所示 其中应力盯或f 与应变占或y 成正比 其 正比例值即为弹性模量e 或剪切模量g 体积变形模量和泊松比用k v 表示之 在一 维应力状态 其本构方程表示 o r e s r g y 2 3 1 1 2 第二章堆右科流变特性分析 在三维应力状态本构方程表示为 2 g e 7 或 2 g s 3 k e f 2 3 2 或吒 3 k s k c e m r 一 h 图2 3 1 弹性体变形特性 弹性体在所受应力为恒量时 应变不随时问发展而变化 即无蠕变现象 若在应变 处于恒量时 应力也不随时间发展而降低 即无松弛现象 弹性常数之间相互关系如下 实验确定其中两个独立常数 即可推算另外两个常数 及拉梅常数旯 压缩模量m 等 e 旦坠 2 一j 2 一 止 一 lz 3 k g v 茎二笙 2 3 4 2 3 k g k 上 2 l g 上 2 l v a 丝 2 3 5 2 3 6 2 3 7 m 墨 二堕 2 3 8 1 v 1 2 v 2 粘滞性体模型 粘滞性体或称牛顿 i n e w t o n 体 简称n 体 结构模型用一个粘壶表示 在一个带 孔的活塞在装满牛顿液体的粘壶中运动 模型符号为n 粘壶中液体其受力和形变关系 服从粘滞定律 即应力盯或f 与应变速率占或 成正比 其流变特性如图2 3 2 所示 以 粘滞系数玎表示应力与应变速率比值 一维应力状态 其本构方程表示为 l 河海大学硕士学位论文 莎 玎占 r2 r y 三维应力状态 本构方程用张量表示为 2 r e 或者 2 玎 s 3 k e o 2 3 9 2 3 1 0 o 图2 3 2 粘滞体形变特征 粘滞性体在受应力是恒量时 应变随时l 日j 的发展而变化有蠕变现象 若保持应变是 处于恒量时 应力又随时间的发展而减小即有松弛现象 粘滞性体只具有粘滞性 而无 弹性和强度 都没有瞬时应变 剪应力r 与剪应变速率y 之间关系一般形式为 f 叩广 2 3 1 1 称1 1 为流变特性指数 玎仍称为粘滞系数 当n 1 时 该式为线性关系 故称该 液体为牛顿体 当n l 时 称为胀流型液体 凡栉 l 时 统称非牛顿体 r 的单位为泊 p o i s e lp o i s e 0 i n s m 2 3 塑性体模型 塑性体或称s t v e n a n t 体 简称s t v 体 其结构模型用一个摩擦滑片表示 模型符 号为s t v 其受力以表示动摩擦下的摩擦力f 当施加应力f f