学土碾压混凝土重力坝正常蓄水位应力和位移

ＸＸ水利水电学院毕业论文任务书书论文题目：ＸＸＸ桥碾压混凝凝土重力坝正常蓄水位位应力和位移移分析专业：工程力学班级学号：XXX姓名：指导教师：设计期限：：2010年3月5日开始2010年6月月6日结束院系：ＸＸ学院院2010年3月月5日一、毕业论文的的目的高等学校本科毕毕业生需要较较好的掌握本本门学科的基基本理论、专专业知识和基基本技能；同同时具有从事事科学研究工工作或担负专专门技术工作作的初步能力力。本科毕业业生通过课程程学习和毕业业论文（毕业业设计或其他他时间环节）来来达到掌握知知识和培养能能力的目的。毕毕业论文是学学生集中利用用一定时间，综综合利用所学学理论知识在在教师的指导导下解决一些些与实际工程程相关的问题题。学生在教教师指导下，独独立查阅相关关文献资料，了了解理论知识识在实际问题题中的应用方方法，然后在在自己利用所所学理论知识识来解决类似似问题。以此此较好的掌握握本门学科的的基础理论、专专门知识和基基本技能，培培养从事科学学研究工作或或担负专门技技术工作的初初步能力，并并且也反映学学生对所学知知识的掌握程程度和对教学学工作的总体体评价。二、主要内容重力坝因其结构构简单，工作作可靠，一直直是我国水利利水电工程中中采用的主要要坝型，在水水压力作用下下它主要依靠靠坝体自重产产生的抗滑力力维持稳定，筑筑坝材料为混混凝土或浆砌砌石，随着水水利水电建设设的蓬勃发展展。近代大多多数水利水电电多采用混凝凝土重力坝，碾碾压混凝土重重力坝是将土土石坝碾压技技术与混凝土土坝施工特点点结合在一起起的筑坝新技技术。XX桥水库位于于XX河左岸支支流流沙河上上游，是一座座为XX河瀑布沟沟水电站移民民安置的配套套工程，是以以满足汉源新新县城的城市市用水、农村村移民安置区区的生活和灌灌溉用水，并并合理安排渠渠道沿线农村村的生活、灌灌溉、乡镇企企业用水及环环境用水等综综合利用的中中型水利工程程。XX桥坝址位于于飞水沟口下下游较狭窄的的“U”型河段，河河流总体由近近东西向转为为近南东向流流经坝址区。坝坝址河谷较狭狭窄呈“U”型，两岸地地形呈上缓下下陡的地貌形形态，左岸以以m高程为界，下下部地形为凹凹向山内的悬悬崖状陡壁，上上部地形平缓缓，一般地形形坡度；右岸岸以m高程为界，下下部地形坡度度，上部地形形坡度为。坝坝址两岸上、下下游均有沟谷谷切割，尤以以左岸下游石石棕材切割较较深。枯水期期河床水面高高程约为m，宽约m。坝址两岸岸谷坡陡峻，基基岩裸露，谷谷底及两岸由由志留系罗惹惹坪细晶白云云岩及砂质灰灰岩组成，底底层产状平缓缓，岩体较完完整，强度较较高。图1：重力坝剖剖面计算示意意图（单位：：m）计算建模取某坝坝段进行，剖剖面如图1所示，坝高高h=1033m,上游坡面垂垂直，下游坡坡面1:0..75，坝基基上游长度取取1.5h；坝坝基下游长度度取2h；坝基深深度取2h，在地表表以下含1m厚的折减层层；坝顶长11.5h，坝坝顶宽0.11h。上游水水位为正常蓄蓄水位1000m下游水位位不计。具体体材料为：（1）大坝：坝坝体为混凝土土材料，弹性性模量E1=2.5GGPa，泊松松比为，密度度为kg/mm3；（2）基岩：弹弹性模量E2=2.9GGPa,泊松比为，密密度为26000kg/mm3三、重点研究的的问题本课题重点研究究如何利用ANSYS软件对XX桥碾压混混凝土重力坝坝的计算分析析，了解大坝坝在各种荷载载的作用下的的位移与应力力状态，并校校核该坝段的的静力稳定性性，对工程的的进一步设计计和施工提出出合理化建议议，确保工程程能够安全经经济的运行。四、主要研究方方法本文主要采用通通用的有限元元软件，对金金安桥碾压混混凝土重力坝坝的弹塑性计计算分析，进进行该坝段的的结构静力分分析。参照有有关设计原理理和规范，来来加强理论联联系实际解决决问题的能力力。计算建模模对该坝段进进行，选取的的地基范围足足够大，四周周和底部约束束均采用滚轴轴支座，模型型能充分反映映基础不同部部位的岩性变变化和坝基主主要结构面。计计算采用三维维弹性进行计算算，对于平面面坝单元采用用planee42单元来模拟拟，坝体混凝凝土采用solidd65单元来模拟拟；坝基采用solidd45单元来模拟拟，进行材料料线性分析。五、论文成果果要求（1）对工程的的基本概况、对对XX桥碾压混混凝土重力坝坝的受力特点点以及计算分分析方法加以以适当的总结结说明。（2）对本文中中采用的计算算方法的原理理、计算过程程作出必要的的阐述。（3）给出本课课题的计算结结果及分析说说明。六、其他XX水利水电学学院本科生毕毕业设计开题题报告2010年3月月5日学生姓名XX学号XX专业工程力学题目名称XX河瀑布沟XXXX碾压混凝土土重力坝正正常常蓄水位应应力力和位移分分析析课题来源生产主要内容1课题研究状况况目前我国已建成成的的各类高坝坝建建筑标志着着我我国在复杂杂地地质条件的的高高拱坝、高高混混凝土面板板堆堆石坝、高高碾碾压混凝土土筑筑坝技术、设设设计和科研研诸诸方面达到到了了世界领先先水水平[1]。1.1碾压混凝凝土土的发展碾压混凝土作为为一一种干硬性性混混合材料,无塌落度,有别于常态态混凝土;施工方法按按近于土石石坝坝的填筑方方法法,采用通仓薄薄层铺料,振动碾压压压实;与常规混凝凝土相比,无论在材料料消耗、施施工工效率,还是在其本本身性能等等方方面都有明明显显的优越性性。1960～1961年,我国台湾修修筑石门坝坝心心墙首次使使用用了碾压混混凝凝土材料。20世纪70年代初期,意大利阿尔尔卑•惹拉坝采用用低流态混混凝凝土和汽车车入入仓、全断断面面浇筑、机机械械切缝等施施工工工艺,虽仍采用振振捣器振捣,并未用振动动碾碾压,但在混凝土土筑坝技术术上上已前进了了一一步。1973年,第11次国际大坝坝会议提出出了了开展“混凝土坝缩缩短工期、提提提高经济效效益益”的研究。以后,美国、日日本等都有有组织地开开展展了该方面面的的试验研究究工工作,终于在1980年之后,建成了日本本的岛地川川碾碾压混凝土土坝坝和美国的的柳柳溪碾压混混凝凝土坝[2--4]。此后,碾压混凝土土筑坝技术术在在世界上有有了了长足的发发展展。我国的的碾碾压混凝土土筑筑坝技术从1980年开始起步,近20多年来,经过广大科科研工作者者和和从事设计计、施施工的专业业人人员的不懈懈努努力,碾压混凝土土筑坝技术术已已非常成熟熟。截截至2004年,已建成的碾碾压混凝土土坝坝64座,还有不少的的碾压混凝凝土土围堰工程程[[2-4]]。综综合我国碾碾压压混凝土筑筑坝坝技术,碾压混凝土土在配合比比设设计上已经经形形成少水泥泥用用量、高粉粉煤煤灰掺量的的特特点[5],达到世界领领先水平。1.2碾压混凝凝土土的展望随着我国各项科科研研工作的深深入入、设计理理论论的完善、施施施工方法的的改改进,碾压混凝土土筑坝技术术取取得了飞快快的的发展。就就当当前国内已已建建和在建工工程程而言,结合我国北北方气候特特征征及当前研研究究成果,仍有一些问问题需要深深入入研究探索,部分工程技技术问题需需要要解决。①碾压混凝土土裂缝是一一个个普遍性问问题题。在北方方确确定气温、大大大气相对湿湿度度、风速及及太太阳辐射等等条条件下,研究裂缝开开展机理、发发发展规律及及相相应的解决决方方法将是未未来来的研究内内容容;此外由于碾碾压混凝土土坝坝的独特施施工工方法,层间接触面面是坝体的的薄薄弱环节,层间裂缝及及渗水是关关键键问题,应从材料研研究入手,解决新型材材料、新老老材材料层面的的粘粘结性、防防渗渗性问题。②针对严寒干干旱地区的的气气候条件及及寒寒冷干旱地地区区碾压混凝凝土土坝特殊的的施施工方法,研究其温度度场及温度度应应力的时空空分分布变化规规律律,就干旱条件件下水分散散失失理论进行行深深入研究,以确定现场场碾压混凝凝土土的各项指指标标(VC值、水胶比比及单位用用浆浆量等)满足实验室室的设计要要求求。③目前对碾压压混凝土坝坝施施工期及运运行行期的温度度、徐徐变应力仿仿真真计算研究究的的框架己基基本本建立,但仿真计算算参数的选选取取存在不稳稳定定性,尚待深入研研究。解决决上上述问题能能为为我国已建建、在在建碾压混混凝凝土工程提提供供可靠的理理论论支持和技技术术保障,是推动碾压压混凝土筑筑坝坝技术发展展的的重要内容容。2本课题的主主要研究究内容2.1工程概况况XX桥坝址位于于飞飞水沟口下下游游较狭窄的“U”型河段，河河流总体由由近近东西向转转为为近南东向向流流经坝址区区。坝坝址河谷较较狭狭窄呈“U”型，两岸地地形呈上缓缓下下陡的地貌貌形形态，左岸岸以以1500..00m高程程为界，下下部部地形为凹凹向向山内的悬悬崖崖状陡壁，上上上部地形平平缓缓，一般地地形形坡度100～200；右岸以1553.000mm高程为界，下下下部地形坡坡度度700～800，上部地形形坡度为250～350。坝址两岸岸上、下游游均均有沟谷切切割割，尤以左左岸岸下游石棕棕材材切割较深深。枯枯水期河床床水水面高程约约为为1448..52m，宽宽约13~115m。坝址址两岸谷坡坡陡陡峻，基岩岩裸裸露，谷底底及及两岸由志志留留系罗惹坪坪细细晶白云岩岩及及砂质灰岩岩组组成，底层层产产状平缓，岩岩岩体较完整整，强强度较高。计算建模取某坝坝段段进行，剖剖面面如下图所所示示，坝高h==103..mm,上游坡面垂垂直，下游游坡坡面1:0..75，坝基基上游长度度取取1.5h；坝坝基下游长长度度取2h；坝基深深度取2h，在地表表以下含1m厚的折减层层；坝顶长长11.5h，坝坝顶宽0.11h。上游水水位为正常常蓄蓄水位1000m下游水位不不计。具体体材材料为：（1）大坝：坝坝体为混混凝土材料料，弹弹性模量E1=2.5GPPa，泊松比为为，密度为2500kkg/m3；（2）基岩：弹弹性模量量E2=2.5GGPa,泊松比为，密密度为2600kkg/m。2.2课题重点点研研究的问题题本课题重点研究究如如何利用ANSYSS软件对XX桥碾压混混凝土重力力坝坝在正常蓄蓄水水位情况下下的的应力和位位移移计算分析析，了了解大坝在在各各种荷载作作用用下的位移移与与应力状态态，并并校核该坝坝段段的静力稳稳定定性，对工工程程的进一步步设设计和施工工提提出合理化化的的建议，确确保保工程能够够安安全经济地地运运行。计算重力坝正常常蓄蓄水位应力力和和位移分析析需需要几个基基本本假设：假设大坝是连续续的的假设大坝是完全全弹弹性的假设大坝是均匀匀的的假设大坝是各项项同同性的假设位移和变形形时时微小的假设大坝是为无无限限长，以任任一一横截面为xy面，任一纵纵线为z轴，则所有有一切应力力分分量、变形形分分量和位移移分分量都不沿z方向变化，二二二只是x和y的函数。因因此大坝的的问问题可以看看做做平面应变变问问题来处理理[[6]。采取的主要技术术路路线或方法法2.3有限元法法计算采用通用的的有有限元计算算软软件ANSYS，对XX桥碾压混混凝土重力力坝坝的计算分分析析。计算采采用用弹塑性进进行行计算，对对于于平面坝单单元元采用planee42单元来模拟拟，坝体混混凝凝土采用solidd65单元来模拟拟，进行弹弹性性分析[7]]；坝基采用solidd45单元来来模拟，进进行行材料线性性分分析。NSYS分析的的基基本步骤：(1)创建有限限元元模型——前处理[8]]1)创建或输入入几何模模型2)定义材料属属性、实实常数、单单元元类型3)划分单元网网格(2)施加载荷荷并并求解——求解1)施加约束条条件2)施加荷载3)求解(3)查看分析析结结果——后处理1)查看分析结结果2)检验结果的的正确性性大坝有限元模型型的的建立计算建模[9]]时时，三维坐坐标标系以河的的横横向为X轴，从左岸岸到右岸的的方方向为正方方向向；以顺着着河河流的方向向为为轴，从上游游到下游的的方方向为正方方向向；垂直地地面面的方向为为轴轴，向上为为正正；坐标的的原原点在桩号号的的原点上。建立模型时，坝坝基基上游长度度取取1.5h；坝坝基下游长长度度取2h；坝基深深度取2h，坝顶长长1.5h，坝坝顶宽0.11h。上游水水位为正常常蓄蓄水位1000m下游水位不不计。荷载效应（1）坝体自重重：由程程序通过输输入入单元材料料重重度自动地地将将体力转化化为为等效节点点荷荷载施加在在相相应的计算算模模型中去。（2）静水压力力：水压压力大小与与自自由水面高高程程及水的重重度度有关，对对各各方面分别别确确定参数，程程程序自动计计算算水压力荷荷载载并施加于于相相应结构单单元元表面上[110]。预期的成果及形形式式1对工程的基基本概况况、对XX桥碾压混混凝土重力力坝坝受力特点点以以及计算方方法法加以适当当的的总结说明明；；2对本课题中中采用的的计算方法法的的原理、计计算算过程作出出必必要的阐述述；；3给出本课题题的计算算结果及分分析析说明；4最终完成毕业业论文文。时间安排第一周阅读、收收集相关资资料料，提交外外文文翻译。第二周实习、收收集资料，准准准备开题报报告告。第三周实习、收收集资料，准准准备开题报报告告。第四周实习、收收集资料，准准准备开题报报告告。第五周完成开开题题报告。第六周收集资资料料、确定边边界界条件、材材料料特性和基基本本假设，准准备备建模。第七周建模并并计计算、实习习。第八周实习，计计算并形成成初初步结果。第九周完成实实习习报告，整整理理论文。第十周整理编编写写论文。第十一周完成成论论文初稿。第十二周初稿稿交交指导老师师审审阅，预答答辩辩，修改并并定定稿。第十三周完成成所所有设计相相关关内容。打打印印、装订论论文文，制作幻幻灯灯片。第十四周毕业业答答辩。指导教师意见签名：年月日日备注目录HYPERLINK\l"_Toc264014155"第一章绪论1HYPERLINK\l"_Toc264014156"1.1研究课课题的目的和和意义1HYPERLINK\l"_Toc264014157"1.2碾压混混凝土重力坝坝的发展概况况及基本特点点1HYPERLINK\l"_Toc264014158"碾压混凝土坝的的发展状况11HYPERLINK\l"_Toc264014159"碾压混凝土材料料与筑坝技术术的进展3HYPERLINK\l"_Toc264014160"碾压混凝土坝的的特点4HYPERLINK\l"_Toc264014161"1.3本文主主要研究内容容5HYPERLINK\l"_Toc264014162"第二章重力坝静静力分析及基基本理论与方方法6HYPERLINK\l"_Toc264014163"2.1有限单单元法概述及及其基本思想想6HYPERLINK\l"_Toc264014164"2.2混凝土土重力坝坝体体应力分析方方法7HYPERLINK\l"_Toc264014165"材料力学法8HYPERLINK\l"_Toc264014166"2.3坝基变变形对重力坝坝应力分布的的影响11HYPERLINK\l"_Toc264014167"2.4重力坝坝坝踵的应力力集中问题113HYPERLINK\l"_Toc264014168"第三章坝体有限限元模型166HYPERLINK\l"_Toc264014169"3.1工程概概述16HYPERLINK\l"_Toc264014170"3.1.1简简介16HYPERLINK\l"_Toc264014171"3.1.2计计算参数166HYPERLINK\l"_Toc264014172"计算荷载16HYPERLINK\l"_Toc264014173"3.2计算工工况16HYPERLINK\l"_Toc264014174"3.3模型的的建立17HYPERLINK\l"_Toc264014175"3.4单元简简介19HYPERLINK\l"_Toc264014176"第四章坝体应力力和位移分析析20HYPERLINK\l"_Toc264014177"4.1位移分分析20HYPERLINK\l"_Toc264014178"4.2坝基变变形对重力坝坝应力分布的的影响27HYPERLINK\l"_Toc264014179"4.3重力坝坝坝踵的应力力集中27HYPERLINK\l"_Toc264014180"第五章提高重力力坝稳定性的的措施28HYPERLINK\l"_Toc264014181"5.1提高重重力坝稳定性性措施概述229HYPERLINK\l"_Toc264014182"碾压混凝土层缝缝形态设计229HYPERLINK\l"_Toc264014183"碾压混凝土层间间凹凸结合面面剪切力学效效应30HYPERLINK\l"_Toc264014184"5.2提高方方案有限元分分析35HYPERLINK\l"_Toc264014185"工况1（无齿形形）35HYPERLINK\l"_Toc264014186"工况2（三角齿齿形）38HYPERLINK\l"_Toc264014187"工况3（梯形齿齿形）40HYPERLINK\l"_Toc264014188"5.3提高方方案结果分析析42HYPERLINK\l"_Toc264014189"5.4其它提提高坝基抗滑滑稳定性措施施43HYPERLINK\l"_Toc264014190"提高软弱夹层抗抗剪断指标443HYPERLINK\l"_Toc264014191"增加抗力体抗力力44HYPERLINK\l"_Toc264014192"第六章结论和展展望45HYPERLINK\l"_Toc264014193"6.1结论445HYPERLINK\l"_Toc264014194"6.2展望446第一章绪论1.1研究课课题的目的和和意义受地形和气候条条件的控制，我我国水力资源源蕴藏量的70％都集中在在西北和西南南地区，而这这些地区正是是高烈度地震震频发地区，并并且地质条件件十分复杂。随随着西部大开开发战略的实实施和我国对对电力能源的的需求以及筑筑坝技术的快快速发展，水水力资源丰富富的西北、西西南地区的水水电开发得到到了更加的重重视。重力坝坝凭借其安全全可靠、设计计施工技术简简单、对地形形和地质条件件的适应性强强和便于施工工导流以及枢枢纽泄洪问题题容易解决的的优点，在世世界各国被广广泛采用。特特别是二十世世纪八十年代代，出现了采采用超干硬性性混凝土和振振动碾压实方方式的建坝技技术，混凝土土重力坝面临临了新的飞跃跃，这种碾压压混凝土重力力坝在施工速速度和工程造造价上较常规规混凝土重力力坝有明显优优势，在世界界各国很快得得到了推广。我我国发展最为为迅速，在数数量、建坝高高度和科技发发展上均居于于世界前列。更更为重要的是是我国在地震震频发的高地地震烈度区也也修建碾压混混凝土重力坝坝，并且筑坝坝越来越高，有有的甚至超过过了200m。因此，在在复杂地基条条件下碾压混混凝土重力坝坝的稳定性安安全性，是极极其重要并具具有重大现实实意义的研究究课题。通过对XX桥碾碾压混凝土重重力坝的三维维线性仿真计计算分析，了了解大坝在各各种荷载的作作用下的位移移与应力状态态，对工程的的进一步设计计和施工提出出合理化建议议，确保工程程能够安全经经济地运行。1.2碾压混凝凝土重力坝的的发展概况及及基本特点碾压混凝土坝的的发展状况碾压混凝土是用用振动碾压实实的超干硬性性混凝土。碾碾压混凝土坝坝是在常态混混凝土坝与土土石坝激烈竞竞争中产生的的。土力学理理论的发展，放放宽了土石坝坝对建筑材料料的限制，增增大了利用当当地材料筑坝坝的可能性；；大型土石方方施工机械的的使用，加快快了土石坝的的施工速度，使使得土石坝的的造价降低，在在经济上占了了优势，从而而使土石坝获获得了蓬勃的的发展。不过过在造价降低低的同时，土土石坝的安全全性较混凝土土坝低的特性性并没有改变变，主要原因因是洪水漫顶顶和筑坝材料料的内部侵蚀蚀；此外，土土石坝的泄洪洪建筑物不能能与坝体结合合，需要在坝坝外另行布置置专门的溢洪洪道；大规模模当地材料对对周围环境破破坏相当大。这这都是土石坝坝不如混凝土土坝的方面。注意到混凝土坝坝和土石坝各各自具有的特特点，人们努努力寻找一种种新的坝型，以以便把混凝土土坝的安全和和土石坝的高高效率施工结结合起来。20世纪60年代有几个个工程就是按按照这一想法法进行的；意意大利于1961年在阿尔卑卑斯山区修建建172m高的阿尔佩佩盖拉混凝土土重力坝。由由于山高，时时间限制，采采用两条斜轨轨斗车运送混混凝土，采用用自卸卡车入入仓。取消坝坝内冷却水管管，用推土机机平仓，铺平平厚80cm的一层。坝坝体从河床一一岸到另一岸岸全线同时浇浇注上升，用用悬挂于推土土机后部的插插入式振捣器器进行振捣，用用切缝机进行行切割振捣厚厚的混凝土，在在坝体规定位位置进行横缝缝。为了坝体体防渗，除做做好分缝止水水外，还在坝坝体上游面铺铺设钢板，据据称效果良好好。1965年加拿大魁魁北克曼尼科科甘一号（ManiccougannⅠ）坝建造了了两座18米高的重力力式翼墙。内内部使用贫浆浆混凝土，以以推土机铺筑筑，插入式振振捣器振捣；；上游面使用用富浆混凝土土，以垂直滑滑膜形成；下下游面使用预预制混凝土块块。1970年在美美国的加州召召开了混凝土土快速施工会会议。拉费尔尔（J.M.RRaphaeel）提交会议议的论文《最最优重力坝》建建议使用水泥泥砂砾石材建建筑坝并用高高效率的土石石方法运输机机械和压实机机械施工。由由于水泥的稳稳固作用而增增大了材料的的抗剪强度，从从而缩小了坝坝的断面；因因使用类似于于土石坝施工工的连续浇筑筑方法又肯呢呢个缩短施工工时间和减少少施工费用。1972年在同同一地点又召召开了混凝土土经济施工会会议。坎农的的论文《用土土料压实得方方法建造混凝凝土坝》进一一步发展了拉拉费尔的设想想。坎农介绍绍了用自卸卡卡车运输、前前端装载机铺铺筑、振动碾碾压实无坍落落度的贫浆混混凝土的实验验结果。他建建议上、下游游坝面用富浆浆混凝土并用用水平滑模形形成。他还认认为用自卸卡卡车运输混凝凝土不一定是是最合适的方方式。1973年在第第11届国际大坝坝会议上莫法法特提出了题题为《适用于于重力坝施工工的贫浆混凝凝土研究》的的论文。他推推荐将20世纪50年代英国路路基上使用的的贫浆混凝土土用于修筑混混凝土坝，用用筑路机械将将其压实。他他预计，坝高高40m以上的坝，造造价可减少15%。对于碾压混凝土土坝的发展产产生过强烈影影响的是巴基基斯坦塔贝拉拉坝的隧洞修修复工程。1974年，该坝的的泄洪隧洞出出水口被洪水水冲垮，修复复工作必须在在春季融雪之之前完成，要要求的施工速速度必须极其其快速。于是是采用碾压混混凝土进行修修复。在42d时间里浇筑筑了35万m3碾压混凝土土。日平均浇浇筑强度为8400mm3，最大日浇浇筑强度达到到1.8万m3，这是迄今今世界上最高高的碾压混凝凝土浇筑强度度。碾压混凝土坝从从设想到实现现历时10年。1980年出现了世世界上第一座座碾压混凝土土坝——日本岛地川川重力坝。该该坝高89m，上游面用3m厚的常态混混凝土起防渗渗作用，坝体体碾压混凝土土的胶凝材料料用量120kgg/m3，其中粉煤煤灰占30%。压实层厚厚度为0.5m和0.7m。每一压实实层碾压完毕毕后，停歇1~3d再继续浇筑筑上升。工程程采用切缝机机形成坝体横横缝。1982年美国国建成了世界界上第一座全全碾压混凝土土重力坝——柳溪（WilloowCreeek）坝。该坝高52m，坝轴线长543m，不设纵横横缝，内部碾碾压混凝土的的胶凝材料用用量仅66kg//m3，压实厚度30cm，连续浇筑筑上升，33.1万m3碾压混凝土土在不到5个月时间内内完成，比常常态混凝土坝坝缩短工期1~1.5年，造价只只是常态混凝凝土的40%左右和堆石石坝的60%左右。柳溪溪坝充分显示示了碾压混凝凝土坝所具有有的快速和经经济的巨大优优势。它的建建成大大推动动了碾压混凝凝土坝在美国国和世界其它它各国的迅速速发展。我国对碾压混凝凝土筑坝技术术的研究开始始于1978年。在进行行了大量室内内研究以后，1981年在四川省省龚嘴水电站站的混凝土路路面工程中、1983年在福建省省厦门机场工工地，进行了了大型实验块块的野外碾压压实验。在最最后一次试验验中，混凝土土胶凝材料152kgg/m3中摻用了50%的粉煤灰，结结果混凝土的的可碾压性明明显改善，密密实性与均匀匀行大有提高高，抗压强度度普遍达到设设计要求，有有的试样抗压压强度甚至超超过24MPa，显示了大大摻量粉煤灰灰碾压混凝土土的优越性。1984年和1985年进一步扩扩大实验规模模，几座水电电站工程的非非主题工程或或非主要部位位应用了碾压压混凝土。为了将取得的技技术成果应用用于混凝土坝坝中，选定了了福建省坑口口重力坝作为为碾压混凝土土筑坝技术工工业性试验工工程。经过6个月的碾压压施工，高56.8m的我国第一一座碾压混凝凝土坝于1986年5月建成。据据统计，截至至2006年底我国共共建成碾压混混凝土坝92座，在建34座，其中坝坝高200m级的有2座，即：已已建成的广西西省龙滩大坝坝和贵州省光光照大坝。对对碾压混凝土土筑坝技术进进行全面的探探索研究和建建设实践，在在科学技术研研究及筑坝建建设方面都取取得了令人瞩瞩目的成果，形形成一整套较较成熟的筑坝坝新技术，在在水利水电工工程建设中发发挥了积极的的作用。我国碾压混凝土土筑坝技术的的发展水平可可以通过以下下技术指标显显示：碾压混混凝土出机口口温度低于12℃；高温季节节浇筑仓面面面积4000~~6500mm2；低温季节节浇筑仓面面面积100000~150000m2；单日单仓仓浇筑强度1.58万m3；高峰月浇浇筑强度38万m3；高峰年浇浇筑强度340万m3；连续浇筑筑最高升程高高度31m3。碾压混凝土材料料与筑坝技术术的进展早期的碾压混凝凝土坝多采用用低胶凝材料料用量的贫浆浆碾压混凝土土，而从目前前较为稳定的的发展趋势看看，当今的碾碾压混凝土坝坝多采用高胶胶凝材料用量量的富浆碾压压混凝土。自自1992年以来采用用不同胶凝材材料用量修建建的碾压混凝凝土坝占总数数的比例，稳稳定在以下的的范围内：富富浆碾压混你你给他坝（胶胶凝材料用量量159kgg/m3占（45±2）%；中等胶凝凝材料用量碾碾压混凝土坝坝（胶凝材料料用量100~1149kgg/m3）占（23±2）%；（日本）RCD坝占（16±2）﹪；贫浆碾压压混凝土坝（胶胶凝材料用量量低于99kgg/m3）占（12.5±±1.5）%。我国碾压混凝土土坝从一开始始就采用高掺掺粉煤灰，少少用水泥，以以减少产生水水化热，从而而缩小温差，防防止出现裂缝缝。高扭矩多多年研究结果果，掺粉煤灰灰的掺量可以以达到2/3。在使用粉粉煤灰条件有有困难的地区区，可以采用用磷矿渣和磨磨细的凝灰岩岩作为掺合料料，这种方法法已在大朝山山碾压混凝土土坝成功采用用。我国还发发现在碾压混混凝土拌和时时掺用17﹪的岩粉（d≤0.16mmm的颗粒），不不仅对强度没没有影响，而而且增加了混混凝土的和易易性，改善了了工作度。中中国碾压混凝凝土坝的平均均凝胶材料用用量为173kgg/m3。在36座已知胶凝凝材料用量的的碾压混凝土土坝中，33座为富浆碾碾压混凝土坝坝，2座为中等胶胶凝材料用量量的碾压混凝凝土坝，另有有1座RCD坝。通过各各工程混凝土土采用外加剂剂的实践，证证实外加剂可可以提高碾压压混凝土的性性能和耐久性性，并以复合合外加剂最为为有效，已在在如普定、大大朝山、棉花花滩等许多工工程中采用，证证明是合理的的，而且应进进一步发展。由由于40多座坝的实实践，通过大大量的室内外外实验成果，已已经有条件建建立碾压混凝凝土配合比的的数据库，并并通过优选在在具体工程条条件下，预先先比较合适的的配合比，仅仅用少量的室室内实验，即即可取得合适适的配比，大大大减少试验验工作量和时时间。在中国、日本、美美国和西班牙牙这四个碾压压混凝土坝最最多的国家里里，碾压混凝凝土平均的水水泥用量大致致相同，基本本上在75~855kg/m33的范围内。胶胶凝材料用量量的差异，主主要是活性掺掺合料（即粉粉煤灰）用量量的不同所造造成的。日本本碾压混凝土土胶凝材料用用量较低，活活性掺合料的的掺量也最低低；而西班牙牙胶凝材料用用量最高，活活性掺合料的的掺量也最高高。这是个国国家中，日本本、中国和西西班牙以经根根据本国的特特殊情况形成成了自己的风风格。在日本本全部为其特特有的RCD坝。这种型型式由于碾压压混凝土所占占比例较少，因因而造价相对对昂贵，但对对于一个长期期受地震困扰扰的国家来说说，这种RCD坝的结构型型式是有安全全保障的。在在中国和西班班牙均采用高高胶凝材料用用量的富浆碾碾压混凝土。以以上这三个国国家的碾压混混凝土坝都掺掺入了活性掺掺合料，一般般都是低钙粉粉煤灰。而在在美国，碾压压混凝土坝的的设计方法纷纷杂多变，从从很低的胶凝凝材料用量（64kg//m3）到很高用用量（252kgg/m3），从碾压压混凝土根本本不掺入活性性掺合料到采采用很高掺量量的活性掺合合料，各种情情况都有出现现，好像没有有一个固定的的发展模式。碾压混凝土坝的的特点碾压混凝土坝的的迅速发展是是与其优越的的技术、经济济特点紧密相相关的。与常常规混凝土坝坝相比较，碾碾压混凝土坝坝的主要优点点有：（1）安全可靠靠。重力坝剖剖面尺寸大，应应力较小，筑筑坝材料强度度高，耐久性性好，因而抵抵抗水的渗漏漏、洪水漫顶顶、地震和战战争破坏的能能力都比较强强。（2）对地形、地地质条件适应应性强。任何何形状的河谷谷都可以修建建重力坝，因因为坝体作用用于地面上的的压应力不高高，所以对地地质条件的要要求也较低。（3）枢纽泄洪洪问题容易解解决。重力坝坝可以做成溢溢流的，也可可以在坝内设设置泄水孔，一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。（4）便于施工工导流。在施施工期可以利利用坝体导流流，一般不需需要另开设导导流隧洞。（5）施工方便便。可以采用用机械化施工工，在放样、立立模和混凝土土浇捣方面都都比较简便。（6）造价低。由由于施工简化化，节省了大大量劳力、木木材、钢材和和混凝土冷却却费用。（7）结构作用用明确重力坝坝沿坝轴线用用横缝分成若若干段，各坝坝段独立工作作，结构作用用明确，应力力分析和稳定定计算都比较较简单。（8）温控措施施相对简化。由由于混凝土中中水泥用量少少，同时以低低热的粉煤灰灰替代部分水水泥，明显降降低了混凝土土发热量，可可使混凝土施施工中复杂的的温控措施得得到很大的简简化。正是由于以上优优点，碾压混混凝土坝得到到了迅速的发发展，成为现现代坝工界优优选坝型之一一[11-112]，但是，重力坝坝也有下面一一些缺点：(1)坝体剖面面尺寸大，水水泥用量多。同同时，坝体应应力较低，材材料强度不能能充分发挥。(2)坝体与地地基接触面积积大，因而坝坝底的扬压力力较大，对稳稳定不利。(3)坝体体积积大，施工期期混凝土的温温度应力和收收缩应力较大大，在施工期期对混凝土温温度控制的要要求较高。综述重力坝是一一种安全可靠靠，稳定可行行，适应能力力较强的坝工工建筑结构。在在抵御洪水能能力和地震方方面有很强的的能力，不易易遭受意外事事故的破坏，具具有较强的安安全性能。人人们在水利建建设中可以广广泛采用。1.3本文主要要研究内容本文对XX桥碾碾压混凝土重重力坝的受力力特点进行力力学性能分析析，运用有限限元弹性分析析，主要研究究内容包括：：(1).介绍弹弹性分析的基基本理论、有有限元法的基基本思想和有有限元分析方方法。(2).在上述述理论的基础础上对大坝在在正常蓄水位位的应力和位位移进行分析析。(3).坝基变变形对重力坝坝应力分布的的影响。第二章重力坝静静力分析及基基本理论与方方法2.1有限单单元法概述及及其基本思想想有限单元法是在在二十世纪六六、七十年代代随着计算机机的发展而发发展起来的数数值分析方法法，它解决了了许多以前传传统力学无法法解决的复杂杂工程问题[[13]。最最初人们利用用计算机求解解杆系结构力力法和位移法法的基本方程程，形成了矩矩阵力法和矩矩阵位移法，随随之又将矩阵阵分析方法推推广到连续介介质，将介质质离散成有限限个单元，各各单元彼此在在节点处相连连，从而使无无限自由度的的问题变成可可以求解的有有限自由度问问题。有限单单元可以用来来分析十分复复杂的实际工工程结构，又又可以模拟复复杂的材料本本构关系、荷荷载以及边界界条件，而且且随着有限元元前处理、后后处理技术的的发展，应用用起来也越来来越方便，因因此有限单元元法在工程界界得到了广泛泛的应用[114]。有限单元法的最最终目的是建建立单元刚度度矩阵和荷载载向量，形成成有限单元中中的求解方程。有限限元方法求解解的基本步骤骤如下：(1)连续介介质的离散化化：用有限个个具有一定形形状的单元的的组合体去代代替原结构体体，原结构的的材料属性保保持不变。(2)选择适适当的位移函函数，用单元元结点位移表表示单元内任任一点的位移移，其矩阵形形式为：（2-1）式中：——单元元内任意一点点的位移向量量；——单元节点的的位移向量；；——单元形函数数矩阵；(3)建立节节点位移与应应力、应变之之间的关系：：①首先通过位位移函数用节节点位移表示示单元内任～～点的应变：：（2-2）式中：——单元元内任一点的的应变；——单元应变转转换矩阵；②由虎克定律律推导出单元元内任一点的的应力与节点点位移之间的的关系式：（2-3）式中：——单元元内任一点应应力；——与材料属性性有关的弹性性矩阵。(4)根据能能量原理，用用等效节点力力代替单元应应力，并利用用单元应力与与节点位移之间的关系系，建立等效效节点力与节节点位移之间间的关系。(5)将单元元所受荷载，按按静力等效原原则转化到节节点上。(6)在每一一节点上建立立静力平衡方方程，形成线线性方程组。(7)解方程程组，求出单单元节点位移移，进而求出出单元的应力力。有限单元法是一一种有着坚实实的理论基础础和广泛的应应用领域的数数值分析方法法。其应用己己由弹性力学学平面问题扩扩展到空间问问题、板壳问问题，由静力力平衡问题扩扩展到稳定问问题、动力问问题和波动问问题。推导有有限元公式系系统的方法有有三种，即直直接法、变分分法和加权残残值法。从选选择未知量的的角度来看，有有限单元法可可以分为三类类，即位移法法、力法及混混合法，其中中最常用的是是有限元位移移法。可以预预计，随着现现代力学、计计算数学和计计算机技术等等学科的发展展，有限单元元法将会成为为一种非常重重要的数值分分析工具。2.2混凝土重重力坝坝体应应力分析方法法随着我国水利水水电工程建设设的蓬勃发展展，很多高坝坝大库逐步在在我国的江河河上兴建，其其强度和稳定定是大坝安全全的两个非常常重要问题。稳稳定问题也就就是说是抗剪剪强度问题，强强度问题的研研究，实际上上就是内力、应应力、变形和和位移的研究究。坝体应力力不超过材料料的强度，变变形和位移不不超过大坝正正常工作状态态下的最大值值，就可以认认为坝体处于于正常运行状状态。因此，应应力分析是判判断大坝是否否安全的很重重要的因素。在应力分析方面面，现代重力力坝主要采用用三种分析方方法：材料力力学法(亦称重力法)、弹性理论论法和有限单单元法。材料力学法是设设计中最普遍遍也是最常用用的，材料力力学方法有四四个假定：=1\*GB3①①假定大坝是是连续的；=2\*GB3②②假设大坝是是均匀的；=3\*GB3③③假设大坝是是各项同性的的；=4\*GB3④假定垂直正正应力呈直线线分布。因而而，计算比较较简便，适用用面相对比较较广，适用于于各种坝体外外形和各种荷荷载。而且经经过理论上和和模型试验的的反复验证，以以及大量己施施工坝的实际际考验，有比比较成熟的应应力控制标准准，虽然它并并不能反映坝坝体内实际的的应力情况，如如不能反映地地基、孔口的的影响，但却却能控制大坝坝的强度安全全，已成为规规范中普遍采采用的方法。我我国《混凝土土重力坝设计计规范》(DL51008-19999)[155]乜们中就就规定了30~700m的低坝，按按材料力学法法计算坝的应应力，无需进进行其他的研研究；对70m以上的高坝坝也是按材料料力学法计算算，宜同时进进行模型试验验或采用有限限元法进行研研究。用弹性理论求解解重力坝的应应力始于19世纪末，首首先是利用经经典的弹性理理论求解无限限楔体在自重重及某些边界界力作用的应应力分布。从从20世纪初到20世纪中叶，世世界各国的研研究者们又提提出过多种计计算应力的方方法。如平板板模拟法、格格栅模拟法等等，这些方法法能给出符合合相容条件的的精确解答，求求得大坝及坝坝基内的应力力和变形，但但计算很费时时，在实际应应用上受到限限制。60年代以后，有有限单单元法的出出现现为弹性理理论论法的应用用开开创了新的的局局面[16]]。有限单元元法完全可可以以考虑复杂杂的的边界条件件和和荷载情况况、坝坝体与地基基的的接触区、不不不同混凝土土材材料的分区区、地地基的复杂杂地地质结构等等问问题，使应应力力分析能了了解解坝体不同同部部位的应力力大大小和分布布。再再加上计算算机机技术和软软件件工程的发发展展，使大坝坝的的设计更精精确确和便捷。因因因此，有各各国国学者都认认为为弹性理论论会会给出和实实际际应力更接接近近的近似结结果果。并可以以给给出大坝和和地地基内应力力、位位移分布的的全全部，显示示出出局部应力力较较高的区域域，给给设计者提提供供参考，为为设设计的合理理性性打下了坚坚实实的基础。但但但是有限元元计计算结果的的可可信性主要要依依赖于所用用参参数，参数数能能否反映实实际际情况与计计算算结果有很很大大的关系。坝坝坝体角缘处处的的应力集中中和和失真现象象还还比较严重重，世世界各国迄迄今今尚未制定定出出与之相适适应应的应力控控制制标准，有有限限元法并不不能能完全代替替传传统的应力力分分析方法。材料力学法利用材料力学法法[[17]对大大坝模型应应力力分析，大大坝坝模型简化化为为悬臂梁结结构构，取厚度度为为,受力图几何何尺寸如下下：：横截面对中性轴轴的的惯性矩为：：在A—a截面上上的惯性矩为为为：m4悬臂梁在横截面面上上任一点处处弯弯矩的计算算公公式为：在A—a截面上上的弯矩为相相相应的最大大弯弯矩，则：：Nm纯弯曲时横截面面上上任一点处处正正应力的计计算算公式;MPa图1：几何尺寸寸（单位位：m）图2：受力图弹性力学法假设大坝是为无无限限长，以任任一一横截面为为面面，任一纵纵线线为z轴，则所有有一切应力力分分量、变形形分分量和位移移分分量都不沿z方向变化，二二二只是x和y的函数。因因此大坝的的问问题可以看看做做平面应变变问问题[18]]来处理。（1）按位移移求解平面问问问题在平面应变问题题中中，物理方方程程，即由上列三式求解解应应力分量，得得得将几何方程代入入，得得弹性方程程(a)再将式（a）代代入入平衡微分分方方程，简化化以以后，得这是用位移表示示的的平衡微风风方方程，也就就是是按位移求求解解平面应变变问问题时所需需要要的基本微微分分方程。另一方面，将（aa）代入应力力边界条件，简简化以后，得得这是用位移表示示的的应力边界界条条件，也就就是是按位移求求解解平面应变变问问题时所用用的的应力边界界条条件。（2）按应力力求解平面问问问题平面问题的几何何方方程，，将对的二阶导数数和对二阶导数相相加，得由于则，这个关系式称为为变变形协调方方程程或相容方方程程。对于平面应变的的情情况，将物物理理方程代入入相相容方程，得得得（b）利用平衡微分方方程程，可以简简化化式（b），得对前一方程对求求导导，后一方方程程对求导，然然后相加，对于平面问题，可可以证明：如如果满足平衡衡微分方程和和相容方程，也也满足了应力力边界条件，那那么，在单连连体的情况下下，应力分量量就完全确定定了。2.3坝基变形形对对重力坝应应力力分布的影影响响坝基的应力计算算是是坝体的重重要要内容，用用弹弹性理论计计算算无限高的的三三角形断面面重重力坝的应应力力，结果表表明明沿水平计计算算截面上的的、都是呈直线线分布的结结果果，与材料料力力学方法的的计计算结果相相同同。但是实实际际的重力坝坝高高度是有限限的的，特别是是地地基受坝体体传传来的荷载载作作用后，与与材材料力学方方法法中坝底变变形形后仍为直直线线的假设不不符符，必然引引起起应力调整整，托托尔克（Tolkee.F）最早提出出了坝基与与坝坝体具有不不同同弹性模量量时时的坝体应应力力分析方法法[[18]。先先将坝体和和坝坝基分别考考虑虑，并将坝坝体体视为承受受边边界荷载及及自自重的无限限楔楔体中的一一部部分图(a)，选定坝踵踵及接触面面OOX为参照点点及参照线线则则：(22--4)然后考虑地基。将将上面所得的的坝底应力作作为荷载施加加在地基边界界上,并用并用（22--5）式中、、表示刚刚体体运动的常常数数，将（2-4）式中的、代人上式积积分，显然然，，即接触触面上的变位位并不协调，必必须加上校项项才能反映出出真实的应力力状态。对于于图示的无限限楔体，考虑虑如下的应力力函数：（2-6）无论取何值，是是个个复谐函数数，都都可以作为为应应力函数。令令令两条边界界上上的为0，可以确定定的条件方程程：（2-7）对于、t均为为复复数（）的情情况，满足足上上式的有无限限多个，可可以以依次记为t1、t2、…tn…。对与每一一都有一个相相应的自应应力力函数，在在（2-6）式中，以以上下游边边界界上的为0的条件代人人后可化为为：：-（2-88）是该应力函数项项的的待定常数数。在坝底：（2-9）把自应力产生的的坝坝底边界应应力力、作为地基表表面荷载，并并并代人（2-5）式求其产产生的地表表变变位，记、，（2-10）一般要用数值积积分分法求出若若干干个点上的的值值，引入自自应应力项的目目的的是消除坝坝基基接触面的的变变位闭合差差，即即：（2-11）式中。一般最多多到到，（为下游面面为的坡）2.4重力坝坝坝踵踵的应力集集中中问题假设无线平面角角在在所设荷载载下下的应力函函数数为、，为基本应应力。但是是这这一解答与与实实际情况尚尚有有差距。为为此此，在基本本应应力函数上加加以校正项项，为自应力函函数，表示示为为：（2-12）式中是复数，为为第第n个角缘函数数，对于自自应应力函数或或本本证函数，设设设有一个平平面面叫，找到一一个函数，使使它满足当当时时：（2-13）即不引起角两条条边界界上的边界界值值的变化考考虑虑勃拉兹函函数数：（2-14）注：在时需满足足：：（2-15）简单处理只取两两项项，即（22--16）以上游角而言，取取，边界上的主主应力：（2-17）（2-18）在坝底上，可用用以以下公式，但但但只限于计计算算离坝踵很很近近的区域：：（2-19）以上式中的由以以下下公式确定定：：=1\*ALPHABETICA.水压力，即即边界上上均匀压力力，在在上有变化压压力：（2-20）（2-21）B．重力，设重重力GG的作用方向向与x轴成角：（22--22）（2-23）当时，常小于零零，故故当常趋于无无穷大。说说明明坝面与基基础础成直线相相交交时，在交交点点处的弹性性应应力理论上上会会达到无穷穷。实实际上，不不会会如此，若若取取：（22-24）在边界上满足、，使使在、时，；且、时，得：((22-25))于是沿边界的应应力力公式：（22--26）第三章坝体有有限限元模型3.1工程概概述述简介XX桥坝址位于于飞飞水沟口下下游游较狭窄的“U”型河段，河河流总体由由近近东西向转转为为近南东向向流流经坝址区区。坝坝址河谷较较狭狭窄呈“U”型，两岸地地形呈上缓缓下下陡的地貌貌形形态，左岸岸以以1500..00m高程程为界，下下部部地形为凹凹向向山内的悬悬崖崖状陡壁，上上上部地形平平缓缓，一般地地形形坡度100～200；右岸以1553.000mm高程为界，下下下部地形坡坡度度700～800，上部地形形坡度为250～350。坝址两岸岸上、下游游均均有沟谷切切割割，尤以左左岸岸下游石棕棕材材切割较深深。枯枯水期河床床水水面高程约约为为1448..52m，宽宽约13~155mm。坝址两岸岸谷坡陡峻峻，基基岩裸露，谷谷谷底及两岸岸由由志留系罗罗惹惹坪细晶白白云云岩及砂质质灰灰岩组成，底底底层产状平平缓缓，岩体较较完完整，强度度较较高。计算建模取某坝坝段段进行，剖剖面面如下图所所示示，坝高h=1033.00mm,,上游坡面垂垂直，下游游坡坡面1:0.775，坝基上游游长度取1.5h；坝基下游游长度取2h；坝基深度度取2h，坝顶长1.5h，坝顶宽0.1h。上游水位位为正常蓄蓄水水位100m下游水位不不计。计算参数（1）大坝：坝坝体为混混凝土材料料，弹弹性模量E1=2..5GPa，泊松比为为，密度为2500kkg/m3；（2）基岩：弹弹性模量量E2=2..5GPaa,,泊松比为，密密度为2600kg/mm33；（3）清水重度度：9..80kNN//m3。计算荷载（1）坝体自重重：由程程序通过输输入入单元材料料重重度自动地地将将体力转化化为为等效节点点荷荷载施加在在相相应的计算算模模型中去；；（2）静水压力力：水压压力大小与与自自由水面高高程程及水的重重度度有关，对对各各方面分别别确确定参数，程程程序自动计计算算水压力荷荷载载并施加于于相相应结构单单元元表面上。3.2计算工况况空库。只有在坝坝体体自重作用用下下正常蓄水位工况况。上上游水位100m，下游水位位不计，3.3模型的建建立立为了使所建立的的力力学模型在在符符合荷载及及边边界条件下下简简化计算，确确确保计算结结果果的可靠性性和和计算精度度，对对结构材料料进进行简化：：坝坝体混凝土土材材料符合小小变变形情况下下的的线弹性基基本本假设，即即按按线弹性理理论论进行结果果计计算分析。计算建模取某段段坝坝段进行计计算算，坝高h=1033m,上游坡面垂垂直，下游游坡坡面1:0.775，坝基上游游长度取1.5h；坝基下游游长度取2h；坝基深度度取2h，坝顶长1.5h，坝顶宽0.1h计算建模取某段段坝坝段进行计计算算，选取的的地地基深度为2倍坝体高度度，建模时时取取206m，总高为309m；地基上、下下下游分别取取了了坝高的倍和和倍，建模时时取154.55m和206m，总长为440.3325m。三维坐标标系以顺河河向向为X轴，指向下下游为正；；以以竖直向为Y，向上为正正；以横河河向向为Z轴，指向右右为正。坐坐标标轴的原点点在在坝顶（如如图图3-1）。模型前处理采用用大大型商业软软件件ANSYS建模，单元元采用六面面体体单元，在在划划分网格单单元元时采取了了如如下的原则则：：(1)凡应力较较大大或应力梯梯度度变化急剧剧的的部位，如如坝坝踵、坝趾趾部部位单元划划分分应较小较较密密；反之，应应应力较小或或应应力梯度变变化化平缓的部部位位，如坝顶顶、地地基边远地地区区，单元划划分分的可以较较大大较疏；(2)单元的形形态态力求匀称称，尤尤其在重要要部部位；(3)不同的材材料料性质如混混凝凝土、岩石石以以及不同的的厚厚度，应分分区区划分单元元；；(4)地基范围围应应取足够的的深深度和宽度度，根根据地基的的软软弱程度，其其其弹性模量量和和坝体弹性性模模量相差的的越越大，越应应采采用较大的的倍倍数。大坝建模采用自自底底向上法，坝坝坝体采用SOLIDD65单元，坝基基采用SOLIDD45单元，计算算中对计算算模模型的前（x=-1554.5m）、后（x=2855.8255mm）、左（z=0）、右边界界（z=1000m）为位移约约束边界，模模模型的底面面（y=-3009m）也为全约约束边界；；上上部坝体为为自自由变形边边界界。三维整整体体模型计算算网网格见图3-2。图3-1坝体及及地基基图图3-2坝体及及坝基基网格图3.4单元简简介介（1）SOLIID65单单元：该单单元元具有八个个节节点，每个个节节点有三个个自自由度，即x,y,z三个方向的的线位移；；还还可对三个个方方向的含筋筋情情况进行定定义义。适用于于含含钢筋或不不含含钢筋的三三维维实体模型型。该该单元模型型具具有拉裂与与压压碎的性能能。本本单元最重重要要的方面在在于于其对材料料非非线性的处处理理。其可模模拟拟混凝土的的开开裂（三个个正正交方向）、压压碎、塑性变变形及徐变，还还可模拟钢筋筋的拉伸、压压缩、塑性变变形及蠕变。图3-3SOOLIID65单元的几何何模型图3-4SSOLIDD445单元几何模模型（2）SOLIID45单单元：单元元具具有八个节节点点，每个节节点点有三个自自由由度，即x,y,z三个方向位位移。SOLIDD45单元和SOLIDD65相似，只是是缺少拉裂裂与与压碎的性性能能。第四章坝体应应力力和位移分分析析计算结果中，位位移移的正负号号与与坐标轴的的方方向一致，单单单位为cm,应力以拉为为正，反之之以以压为负，单单单位为MPa。在ANSYS软件的附图图中，位移移的的正负号与与坐坐标轴的方方向向一致，单单位位为m，应力以拉拉为正，反反之之以压为负负，单单位为Pa。对正常蓄蓄水位工况况进进行分析，包包包括对位移移、应应力进行分分析析，并附有有坝坝体的各方方位位的位移变变形形图和各种种应应力图。三维坐标系以顺顺河河向为轴，指指向下游为为正正；以竖直直向向为Y，向上为正正；以横河河向向为轴，指向向右为正。坐坐坐标轴的原原点点在坝顶。在在在分析的过过程程中考虑了了两两种工况：：工况上游水位（m）工况1空库0工况2正常蓄蓄水1004.1位移分析析变形量分析重力坝在静水压压力力和自重的的共共同作用下下会会发生一定定量量的变形，由由由于坝体材材料料为混凝土土，其其具有一定定的的抗变形能能力力，只要坝坝体体的变形量量不不超过一定定的的数值，大大坝坝的安全不不会会受到影响响。利利用ANSYA软件模拟分分析大坝在在荷荷载作用下下的的变形情况况，为为了清晰的的反反映出大坝坝的的变形状态态，将将比较小的的变变形量进行行一一定倍数的的放放大，两种种工工况状态情情况况下的变形形情情况如图4-1和图4-2所示，有图图可以看出出工工况1：大坝的整整体变形向向上上游水位前前倾倾的趋势，但但但变形不大大；；工况2:大坝的整体体变形向水水压压力的方向向（即即向下游）最最最大变形在在坝坝顶处。图4-1：工况况1整整体变形图(m)图4-2：工况2整体变形图(m)位移分析图4-3：工况况1的的位移云图(m)图4-4：工况2的位移云图(m)图4-5：工况况1X方向的位移移图(m)图4-6：工况2X方向的位移移图(m)图4-7：工况况1Y方向的位移移图(m)图4-8：工况2Y方向的位移移图(m)图4-1~图44-88为坝体两种种工况的位位移移云图，根根据据软件计算算结结果得出的的两两种工况的的位位移统计表(表4-1)来分析，在在不同的工工况况下，坝体体水水平向位移移等等值线基本本沿沿水平向呈呈层层状分布，位位位移值随坝坝高高的增加而而增增加，顺河河向向位移在坝坝顶顶处最大，竖竖竖直向位移移最最大值发生生在在坝体下游游面面。表4-1坝体典典型部部位位移统统计计表（cm）位置工况X（顺河向）位位移Y（竖直向）位位移坝顶空库-0.81-0.99正常蓄水位0.21-1.10坝址空库-0.047-0.32正常蓄水位0.054-0.47坝踵空库-0.047-0.43正常蓄水位0.13-0.85空库状态下大坝坝在在自重的作作用用下产生变变形形和内力，大大大坝向上游游倾倾斜，在坝坝体体的坝顶处处发发生最大位位移移，其值为1.28ccm。坝体在外部荷载载的的作用下，其其其在Y向(竖直向)和X向（顺河向向）的位移移比比横河向要要大大。坝体在在坝坝顶处产生生最最大水平方方向向位移.根据位移图图形反映出出的的数据结果果，可可以得出在在正正常蓄水状状况况下Y向（竖直方方向）最大大位位移在坝顶顶处处，其值为1.10ccm，，X方向（顺河河流方向）的的的最大位移移为为0.24ccm，发生在1/3坝顶处。由图4-1和图图4-22分析可以得得出，大坝坝在在空库和正正常常蓄水位状状态态下的位移移分分布规律比比较较合理，可可以以保证大坝坝的的安全运行行。空空库时最大大位位移为-1.288cm、正常蓄水水位状态时时最最大位移为1.10ccm,都没有超出出相关规范范的的规定。坝体位移计算结结果果表明，正正常常蓄水位时时，在在上游水压压力力、坝体自自重重作用下，坝坝坝体均向下下游游倾斜，坝坝体体在坝顶处处产产生最大水水平平向正位移移，在在上游的地地基基处产生竖竖向向最大的位位移移。应力分析图4-9~图44-114分别为坝体体两种工况况在在X、Y和Z方向的应力力云图，根根据据软件计算算得得出的两种种工工况的应力力统统计表（表4-2）来分析：：在空库时时，大大坝在坝顶顶处处有拉应力力，但但是拉应力力都都比较小。最最最大值也远远小小于混凝土土（C25）的抗拉强强度(见表4-3)。在坝址、坝坝坝踵处都为为压压应力，该该两两处的拉应应力力远小于工工程程选用混凝凝土土（C25）的抗压强强度(见表4-3)。在正常蓄蓄水位状态态时时，坝顶均均出出现压应力力，但但压应力都都很很小，在混混凝凝土抗压强强度度范围以内内，不不会对大坝坝的的安全构成成威威胁。在坝坝址址，应力都都为为压应力，并并并且压应力力都都比较小，与与与混凝土（C25）的抗压强强度设计值值相相差甚远。坝坝坝址处应力力安安全。在坝坝踵踵处，都为为拉拉应力。在X方向坝踵处处拉应力比比较较大（1.48MMPa大于混凝土土抗拉强度度），有有应力集中中现现象。但拉拉应应力小于坝坝体体混凝土强强度度标准值。表4-2坝体典典型部部位应力统统计计表（MPa）位置工况X方向应力值Y方向应力值Z方向应力值坝顶空库0.130.100.08正常蓄水位-0.34-0.10-0.08坝址空库-0.65-0.65-0.36正常蓄水位-1.80-2.06-1.16坝踵空库-1.64-3.32-1.28正常蓄水位1.480.440.21注：正号表示拉拉应应力，负号号表表示压应力力前面用材料力学学的的方法将大大坝坝模型简化化为为悬臂梁模模型型做了计算算。计计算得MPPa。用有限元元软件做三三维维模型计算算，X方向得出结结果为1.48MMPa。两种计算算结果可以以认认为近似相相等等。有限元元软软件计算结结果果符合要求求，坝坝体的应力力总总体分布比比较较均匀，基基本本合理。表4-3混凝凝土参参数列表[119]（N/mm）强度种类工程选用C15C20C25C30强度设计值轴心抗压11.97.29.611.914.3轴心抗拉1.270.911.101.271.43强度标准值轴心抗压16.710.013.416.720.1轴心抗拉1.781.271.541.782.01图4-15~图图4--20为坝体在两两种工况下下主主应力图（第第第一、第二二、第第三主应力力）。根根据软件计计算算得出的两两种种工况的应应力力统计表（表表表4-4）来分析：：在空库时时，大大坝在坝顶顶出出的应力都都比比较小，都都在在混凝土（C25）抗拉、抗抗压强度范范围围以内。在在坝坝址、坝踵踵应应力都为压压应应力，并且且压压应力都比比较较小，远小小于于混凝土抗抗压压强度设计计值值。表4-4坝体典典型部部位主应力力统统计表（MPa）位置工况第一主应力第二主应力第三主应力坝顶空库-0.050.040.02正常蓄水位-0.17-0.08-0.02坝址空库-0.29-0.39-0.74正常蓄水位-0.74-1.15-2.57坝踵空库-0.89-1.26-3.45正常蓄水位1.800.21-1.15在正常蓄水位状状态态下，大坝坝坝坝顶、坝址址处处应力都为为压压应力而且且都都比较小，符符符合最大应应力力抗压强度度设设计值。大大坝坝坝址处，第第第一主应力力为为拉应力，而而而且其值比比较较大，最大大值值为1.80MMPa。用材料力力学的第一一强强度理论（最最最大拉应力力理理论）校核核：：混凝土抗拉强度度标标准值MPa坝体第一主应力力最最大拉应力MPa显然，但但是，所以，坝体安全全。在坝踵处应力集集中中的区域比比较较小，对大大坝坝的整体安安全全影响比较较小小。坝体应力计算结结果果表明，正正常常蓄水位时时，在在上游水压压力力、坝体自自重重作用下，大大大坝应力总总体体分布规律律基基本合理，在在在坝踵附近近有有拉应力。图4-9：工况况1X方向应力图图（Pa）图4-10：工况2X方向应力图图（Pa）图4-11：工工况11Y方向应力图图（Pa）图4-12工况：2Y方向应力图图（Pa）图4-13：工工况11Z方向应力图图（Pa）图4-14：工况2Z方向应力图图（Pa）图4-15：工工况11第一主应力力图（Pa）图4-16：工况2第一主应力力图（Pa）图4-17：工工况11第二主应力力图（Pa）图4-18：工况2第二主应力力图（Pa）图4-19：工工况11第三主应力力图（Pa）图4-20：工况2第三主应力力图（Pa）4.2坝基变形形对对重力坝应应力力分布的影影响响在这个问题上我我引引用和总结结前前人的结论论：：A．托尔克有自自应力力函数研究究三三角形坝体体（上上游面垂直直、下下游面为的坡坡）与半无无极极限平面地地基基的接触情情况况。得出以以下下结论：当当地地基十分刚刚固固时，地基基反反力就集中中在在坝体的中中间间部分，上上下下游两端的的压压力减少，上上上游端很容容易易出现拉应应力力，应力分分布布状态偏离离线线性分布很很远远。当地基基十十分软弱时时，反反力就集中中在在上下游端端，中中间部位降降低低，呈鞍形形分分布。当地地基基刚度在这这两两个极端间间变变化时，地地基基反力分布布状状态也在两两个个极端状态态间间做复杂的的变变化。B．勃拉兹（BBraahtz）利用自应应力函数即本征函数数研究得：：当当地基十分分刚刚固时，在在上上游端出现现拉拉应力，下下游游端压应力力降降低，在中中部部出现较大大的的压应力。C．辛克维兹（O..C.Ziieenkieewwicz）用差分的的方法分析析了了这个问题题。得得出多成果果。=1\*GB3①从坝顶到坝高高范围内，应应力与按无限限楔形体求出出者相符；=2\*GB3②②靠近坝基处处，垂直正应应力远非线性性分布，坝踵踵处都有拉应应力，中间部部位凸起（硬硬基）或平坦坦（软基），下下游部位减小小(硬基)或加大（软软基）；=3\*GB3③坝基剪应力力分布情况，当当基础很软时时，上下游端端有尖锐的集集中，基础较较硬时，分布布较平顺；=4\*GB3④④坝基水平正正应力在上游游地基内和进进入坝踵内一一定距离处都都为拉应力，坝坝内其他部位位的为压应力力，并向下游游增大（除非非地基极硬），到到坝址处达最最大值；=5\*GB3⑤和材料力学学计算结果相相比，最大主主应力一般不不超过前者（坝坝址处的奇点点应力不计）；；=6\*GB3⑥基岩从刚固固逐渐变化到到软弱时，上上游拉应力区区的范围逐渐渐缩小，下游游压应力集中中程度逐渐增增大。4.3重力坝坝坝踵踵的应力集集中中根据弹性理论分分析析，重力坝坝在在坝踵和坝坝趾趾处均产生生应应力集中现现象象。由于坝坝坡坡与地基直直线线相交，形形成成尖角。可可能能出现压应应力力集中也可可能能出现拉应应力力集中。但但出出现应力集集中中的区域都都比比较小，混混凝凝土有一定定的的塑性性质质。混混凝土的塑塑性性能使结构构产产生应力重重分分布，使该该处处应力降低低。而而其实际上上坝坝面与地基基面面也不是理理论论上的直线线相相交的。必必要要时并可将将相相交处做成成贴贴角修圆，并并并提高局部部混混凝土的强强度度等级。适适当当调整体形形可可以降低拉拉应应力集中程程度度和减少拉拉应应力区范围围，但但不易完全全避避免。第五章提高重重力力坝稳定性性的的措施重力坝在各种荷荷载载作用下，可可可能使坝体体发发生滑动、倾倾倾覆。在混混凝凝土重力坝坝的的设计中，如如如果控制坝坝踵踵处的拉应应力力在允许范范围围之内，坝坝体体就不会绕绕坝坝趾倾覆，因因因此坝基的的抗抗滑稳定往往往往对大坝的的设设计起控制制作作用，而对对于于需要有很很高高抗剪强度