面板堆石坝有限元分析-现状和展望

1、面板堆石坝有限元分析-现状和展望            摘要：本文通过天生桥一级面板堆石坝有限元变形计算结果和实测结果的对比分析,阐述了面板坝有限元应力变形分析的现状，并展望了其发展趋势。 关键词：面板坝 堆石体 有限元 本构关系  1. 前言     现代碾压面板堆石坝具有工程量小工期短造价低等优点，已成为坝型选择的主要类型之一，在我国已成大规模推广的趋势。国内已建成的有关门山、柯柯亚、成屏、西北口、天生桥面板堆石坝等十余座

2、，正在规划设计的有10余座，广泛分布于全国各地。20世纪50年代以前设计的堆石坝一般是不计算坝体应力应变的，但随着计算技术的发展和坝体的日益增高，同时在一些坝体中发现裂缝，坝体应力应变计算才逐步为人们所重视。    从“七五”科技攻关开始，国内专家用不同的计算模型，考虑面板受力特点，采用相应的参数，对高面板坝进行二维、三维有限元分析计算。但是到目前为止，国内外对这种坝主要凭经验设计。由于堆石体材料特性十分复杂，有限元的计算结果与实际观测值之间还存在一定的差距。可见，在这方面尚有许多研究工作有待开展。2堆石体材料的本构关系    堆石体

3、的本构关系表达了堆石体应力应变之间的关系，它无疑对应力应变的计算结果起决定性作用。目前建立堆石体本构关系往往基于已有模型，再针对堆石的力学特性确定甚至调整本构关系中各种材料参数。面板坝有限元计算时常采用非线性弹性模型和弹塑性模型。2.1非线性弹性模型非线性弹性模型包括邓肯模型、修正邓肯模型等。这些模型最初是针对土、砂等一类材料在常规三轴试验基础上提出的，仅适用于二维分析计算，其中计算结果和已建坝实测结果较为符合的是邓肯E-B模型和内勒 模型18康纳(Kondner)根据常规三轴试验结果发现，式中, 为初始弹模；为内摩擦角,对于粗粒土假定的函数，即和大气压(下同)。  

4、60;  詹布(Janbu)据试验指出初始弹模有如下关系：、，按下式计算、 一般较式中为试验常数。    体模模型中的只能在    2007-04-29        应限定在模型的增量型本构关系为、为剪应力增量；为法向应变增量；的变化；不能反映中主应力对强度指标的影响等。但总的来说，该模型反映了堆石体变形的主要规律。它反映了非线性；用于增量计算时，能反映应力路径对变形的影响；通过的差别部分体现了加荷卸荷对变形的影响；通过假定的函数，在

5、一定程度上考虑了高固结压力的影响。再加上该模型简便直观，概念明确，并积累了相当多的应用经验，因此目前被工程设计人员广泛使用。模型是切线剪切模量为为初始体积变形模量，由常规三轴试验确定；、为常规三轴试验确定的参数。   内勒非线性弹性、较难从试验中得到,因此尚未进入工程实用阶段。3.非线性有限元求解方法16      一般来说，求解方法有迭代法和增量法两种，较为常用的是增量法。用增量法计算时，荷载逐级递增，可以模拟施工过程，计算结果也符合观测结果。以邓肯 级加荷计算，按中点增量法其计算步骤如下：1根据前一级应力全量和；2加本级荷载增量&

6、#160;并计算应力和应变增量，进而累计求得应力全量；3施加全荷，求位移增量：                          ，如果以此计算，则切线弹模(为填土容重)。目前较为常用的处理方法式计算。事实上，新填土层经过反复碾压，可视为超固结土，MPa)。    4算例天生桥一级面板堆石坝位于红水河上游南盘

7、江干流，坝高178m，上游坝坡11.4, 下游坝坡11.29。按平面应变问题计算。4.1单元剖分和计算参数   面板顶厚0.3，底厚为0.9m，沿面板厚度方向剖分一层单元，沿坝高分20层，共剖分500个单元，1486个节点。其中堆石单元    2007-04-29        459个，面板单元20个，接触面单元20个，趾板单元1个。单元形态为等参元计算采用中点增量法，按20级加荷方式进行，每级荷载又分三次施加。这样相当于按60级加荷计算，但又比剖分60

8、层的情况节省计算时间。   混凝土面板和趾板采用线弹性模型，=0.167。    堆石各分区对应于垫层料2.20    2007-04-29        10500.35422100.2040.7064760.23650.67细堆石料2.109700.36120000.2100.7604400.19352.58灰岩主堆石料2.109400.35019800.2000.8493400.185413泥岩主堆石料2.155000.25010

9、500.1200.72725004810灰岩堆石料    2007-04-29        2.057200.30315500.1600.798800-0.185413图2和图3分别为竣工时铅直和水平位移等值线图。最大铅直位移为2.35m，约位于1/2坝高处；最大水平位移：上游为0.58m，下游为1.03m，参见图2。 5.计算结果和实测值的比较分析除本文算例的计算结果外，还将引用文献3和文献4对天生桥一级面板坝的计算结果，来主要说明邓肯模型模型最大铅值位移2.2

10、921.601.342.35最大水平位移指向上游0.4780.490.100.58 指向下游1.0380.570.3151.03 竣工时最大铅直位移的观测值为3.06m，约为坝高的1.72%，是同类型坝中沉降量较大的。从数值上看，邓肯    2007-04-29        模型计算时没有考虑堆石体流变引起的沉降。南水模型由于可以考虑堆石体的剪缩特性，计算的铅值和水平位移都较小。     虽然无可靠的实测水平位移以资比较，一般认为依据南水模型计算的水平位移较为可靠,而邓肯模型更符合实际观测34。    虽然设计面板坝时更关心面板、周边缝、伸缩缝，止水的变位与位移，但基本变位是堆石体的变位，它对其他构件的变位有重大的影响。因此以堆石体变位来评价模型应该