【《白泥面板堆石坝三维模型的建立案例分析》5300字】

白泥面板堆石坝三维模型的建立案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u26576白泥面板堆石坝三维模型的建立案例分析 116951.1有限元计算原理 1222841.1.1邓肯E-B本构模型 1289631.1.2Merchant七参数流变本构模型 428091.1.3面板三维“子模型”法 698831.1.4面板接触模拟模型 7296911.2工程资料分析 8225181.1.1工程概况 82231.1.2填筑分期及蓄水过程 1071751.3有限元模型建立 1129721.3.1坝体计算模型 11127091.3.2面板、趾板计算子模型 12310731.3.3坝体材料参数 14276711.3.4坝体填筑蓄水过程模拟 161.1有限元计算原理1.1.1邓肯E-B本构模型邓肯E-B模型可以很好地反映堆石材料的变形，而且模型的计算参数获得比较简单，因此本次计算采用邓肯E-B模型。Duncan等人修正了模型，采用切线体积模量代替切线泊松比进行计算。该模型的切线弹性模量的表达式为：（1.1）式中为材料参数，表达式为：（1.2）式中：——偏应力的渐进值；——材料破坏时的偏应力。（1.3）式中S为应力水平，计算表达式为：（1.4）将式（1.4）带入式（1.3）中得：（1.5）初始切线模量与侧限压力的关系式为：（1.6）式中：k——切线模量基数；n——切线模量指数；——单位大气压。将式（1.5）和式（1.6）带入式（1.1）中，整理得到切线模量的完整表达式：（1.7）由三轴剪切试验的卸荷和加荷结果，得出卸荷时切线弹模与侧限压强之间的关系式为：（1.8）式中：、根据物理试验得到。设加载状态函数为：（1.9）为历史上SS的最大值，按现有计算得出最大应力水平：（1.10）通过和当前应力水平S的比较来确定切线弹性模量的值：当时，判别为加载，取；当时，判别为卸载，取；当时，按下式计算：（1.11）切线体积模量的表达式为：（1.12）式中：——体积模量系数；𝑚——体积模量指数。对于粗颗粒材料，其内摩擦角与之间关系表达式为：（1.13）式中：——为等于单位大气压力时的值；——反映值随降低而降低的一个参数。由弹性力学原理可知，B与、E之间的关系式为：（1.14）邓肯E-B模型中需要使用的7个参数c、、、k、n、、m，均在完成常规三轴试验之后确定。广义剪应力表达式为：（1.15）三维问题中的摩尔—库伦准则抗剪强度表达式为：（1.16）式中：罗德应力角：罗德应力参数：平均静水应力：在上述式子中用q代替，用P代替，用抗剪强度代替，则在三维问题中E-B模型的表达式为：（1.17）（1.18）（1.19）（1.20）1.1.2Merchant七参数流变本构模型选用以指数型衰减的Merchant模型来模拟常应力下的衰减曲线。其蠕变曲线可以写为：（1.21）式中：为瞬时变形，可以假设弹塑性模型求出的变形为；为随时间变化的最终变形量。对式（1.21）求导，可得：（1.22）由式（1.22）可见为时的变形率，则为初始的相对变形率。所以式（1.22）可以写为：（1.23）在Prandtl-Reuss的假设下，应变率的张量可以表示为：（1.24）式中为偏应力，为广义剪应力。沈珠江针对筑坝材料，分别假定了体积变形和剪切变形为下列变形速率：（1.25）（1.26）式中和分别为最终体积流变和最终剪切流变，可表示为：（1.27）（1.28）而和为t时段已积累的体积变形和剪切变形，由下式计算：（1.29）（1.30）式（1.29）和式（1.30）中由于是采用了相对时间，克服了由于复杂的实际坝体填筑过程，而导致难以确定流变的初始时间的问题。式（1.24）、（1.28）、（1.29）中共包含三个参数，所以将其称为三参数流变模型。定义流变变形的参数有最终轴向流变量、体积流变量及剪应变流变量，其中是由和采用下述方法求得的。广义剪应变和广义体积应变的表达式为：（1.31）在轴对称的情况下，，由式（1.31）可以推导得出：（1.32）在有限元应力应变分析中，流变常被看作是初始应变。为了在坝体应力应变分析过程中考虑流变变形引起的应变增量，基于三参数流变模型，对堆石体流变变形的体积流变和剪切流变的计算公式进行了修正：（1.33）式中，、、、、和为模型参数，为应力水平，为偏应力。1.1.3面板三维“子模型”法对模型整体进行面板应力变形分析，在有限元建模时只能采用简化面板的单元尺寸的方法，且面板结构处各种接缝的尺寸与整个坝体模型差异过大,其变形还具有非连续性，将极大地降低面板应力变形的计算结果的准确度。三维子模型法可以解决单元尺寸过大时面板应力和变形计算精度不够的问题[14]。三维“子模型法”包括混凝土面板、混凝土趾板、垫层和接触摩擦单元。其具体的分析过程如下：（1）不考虑面板子模型的影响，考虑特定的材料分区、填筑分期和蓄水分期，计算坝体不同时期的应力与变形，主要考虑竣工期和蓄水期；（2）将面板独立成子模型，提取坝体模型中垫层底面节点的位移作为面板子模型的已知位移边界；（3）将面板子模型的网格细分，考虑面板与垫层区的接触、面板与面板的接触、面板与趾板的相互接触，最后，对面板施加水压力以及基岩约束荷载，即可计算实际情况下面板的应力和变形。1.1.4面板接触模拟模型为了更好的发挥子模型法的优势，获得更真实的面板应力和变形，可以选择适当的单元和模型来模拟面板与垫层、面板之间的竖缝，面板与趾板之间的周边缝的接触关系。目前，应用最广泛、最具代表性的接触面模型是有厚度或无厚度的Goodman单元模型和有厚度的Desai薄层单元模型。但这两种单元模型都存在有一定的缺点：Goodman单元在受压时重叠的单元可能会产生相互关系，Desai单元则是单元厚度很难确定。在本文的模型计算中采用了把基础扩展到Lagrange乘子法的摩擦接触单元，面板与面板之间，面板与趾板之间，面板与垫层之间设置摩擦单元接触，单元厚度为零，单元中相对结点的初始坐标相同，结点对之间不能相互嵌入，但是可以张开或者滑移。单元厚度为零，单元中相对结点的初始坐标相同，结点对之间不能相互嵌入，但是可以张开或者滑移。在利用基于扩展Lagrange乘子法恢复接触摩擦问题时，有三种接触状态，即分离，黏合和滑动[15]。可将这三种接触状态的判断表述为以下扩展Lagrange乘子法的接触约束条件：（1.34）（1.35）（1.36）（1.37）（1.38）式（1.34）用于计算接触面在法向方向的压应力；式（1.35）为库伦摩擦条件，使接触面处的切向应力不超过允许值；式（1.36）和式（1.37）用以确保仅在接触面的切向剪应力方向发生摩擦滑动；式（1.38）确保仅在切向剪应力等于最大允许值时发生摩擦滑动。1.2工程资料分析1.1.1工程概况白泥水库坝址位于松桃县迓驾镇坝德村，是以农田灌溉、集镇及周边农村人畜饮水为主，兼有防洪排涝等功能的综合利用工程。白泥水库工程大坝建在大沟河上，白泥水库坝址以上总的集水面积为7.5km2。水库总库容218万m3，工程规模属于小（1）型水库，设计农业灌溉面积1.3万亩，并解决迓驾镇集镇及周边农村1.6万人和1.12万头大小牲畜饮水问题。坝址处河床呈直线形，相对顺直段长70m，地形上460m以下左岸缓，右岸陡，右岸岩溶较左岸发育，深部溶蚀构造造成地下水位低槽，岩石物理力学指标试验值较高，岩石力学性能更好；左岸节理裂隙较右岸发育，裂隙间方解石胶结较差，岩体完整性差，物理力学性能较差。强风化层厚度1.2-5m，以下为中风化白云岩，岩质坚硬，完整性相对较好，力学强度较高，断层对坝基不构成影响，局部可采取开挖后回填砼处理，右岸夹泥结构面可能延伸至坝基，其厚度小，对坝基稳定基本无影响。白泥水库工程大坝枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、左岸开敞式岸边溢洪道和导流、取水、放空兼冲砂四合一取水隧洞组成。白泥面板堆石坝布置在主河道，其最大坝高为52m，坝顶的宽度为7m，坝顶长112m，坝顶高程489m，河床趾板建基面的高程为437m，上下游坝坡为1:1.4。坝顶上游侧设“L”型防浪墙，顶宽0.5m，墙高3.6m，顶部高程为490.2m。大坝堆石料为质地坚硬的白云岩，坝体的填筑料大部分为新鲜或微风化岩石，少部分为弱风化岩石。坝体分区从上游到下游依次为上游盖重区、上游铺盖区、垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石排水区和下游干砌块石护坡。盖重区顶部水平宽度3m，顶部高程455m，坡度为1:2；铺盖区顶部水平宽度2m，顶部高程455m，坡度为1:1.6；垫层区和过渡区水平宽度均为3m；主堆石区上下游坝坡均为1:1.4；下游堆砌石排水区顶部水平宽度4m，顶部高程450m，下游坡度为1:1.4；下游干砌块石护坡厚度为0.5m。混凝土面板采用厚度为0.4m的等厚面板，使用C25混凝土，为适应坝体变形，对面板进行分缝。在坝肩附近的面板设置张性垂直缝，间距为8m，河床部分的面板设置压性垂直缝，间距为10m。面板总分块数13块。面板和趾板之间设置周边缝，不设水平施工缝。趾板布置于弱风化岩体中部，厚度和宽度分别为0.5m和5m。河床部分趾板每隔12m设一条伸缩缝，两岸坡趾板每隔6m设一条伸缩缝。大坝平面布置图如图1.1所示，典型断面图如图1.2所示。图1.1白泥面板堆石坝平面布置图图1.2白泥面板堆石坝典型断面图1.1.2填筑分期及蓄水过程坝体填筑从第2年的11月1日开始至第3年4月30日填筑至坝顶高程489.00m，月平均填筑强度为36250m3。坝体填筑期是逐层往上填筑，共分为5期，填筑时间共180天，具体填筑分期见表1.1。面板混凝土及混凝土预制块从第3年12月1日开始施工，第4年2月28日施工完毕，浇筑时长共88天，浇筑强度为867m3/月。据施工进度计划安排，下闸封堵蓄水时间为第4年4月，根据蓄水能力能在6月中旬蓄至正常蓄水位486m，下闸封堵洪水标准为5年一遇月平均流量，相应的下闸流量为0.42m3/s。蓄水过程共分为3期，具体过程见表1.2。表1.1填筑分期分期填筑时间（天）期初期末期初高程（m）期末高程（m）填筑升高（m）130第2年11月1日第2年11月30日437447.410.4250第2年12月1日第3年1月19日447.4457.910.5340第3年1月20日第3年2月28日457.9467.49.5440第3年3月1日第3年4月9日467.4478.411520第3年4月10日第3年4月30日478.448910.6表1.2蓄水过程分期蓄水时间（天）期初期末期初高程（m）期末高程（m）蓄水升高（m）130第4年4月1日第4年4月30日437.0474.337.3230第4年5月1日第4年5月30日474.3484.310.0315第4年6月1日第4年6月16日484.3486.01.71.3有限元模型建立1.3.1坝体计算模型为了更全面和真实地模拟白泥面板堆石坝坝体在不同工况的应力、变形情况和工作性能，考虑坝体特定的材料分区、填筑分期和蓄水分期，根据实际的坝体填筑过程、施工步骤和蓄水过程进行模拟，在此基础上对坝体进行三维的应力、变形分析。在三维应力变形计算分析中，根据白泥面板堆石坝的实际施工资料，首先在CAD软件中进行典型断面二维网格的划分，之后在ANSYS软件中建立三维模型，对下游坝坡进行了一定的简化。坝体模型沿高度方向划分为24层，在坝轴线方向将坝体分成41个断面，整个有限元模型共有17274个单元、18896个节点，坝体单元采用3维8节点6面体结构单元Solid185。计算分析的二维网格如图1.3所示，三维有限元网格如图1.4所示。图1.3坝体二维网格图图1.4坝体三维有限元网格图1.3.2面板、趾板计算子模型由于面板厚度与坝体尺寸相比极小，采用整体模型计算难度较大，因此为了提高面板应力变形的计算精度，必须将面板单元进一步细分。本文对面板、趾板的计算分析采用三维有限元非线性方法建立精细模拟面板特性的子模型。以坝体部分的垫层区单元为基础建立面板和趾板单元，在面板之间、面板与垫层之间和面板与趾板之间设置接触摩擦单元，提取坝体模型中垫层底面节点的位移作为面板子模型已知位移边界。面板子模型包含有混凝土面板、混凝土趾板和垫层实体单元以及各接触面摩擦接触单元。考虑面板分缝要求，面板中间的压性面板部分每块宽10m，两侧靠近岸坡的拉性面板部分每块宽8m，共分为13块。面板划分网格时厚度方向分为3份，在长度和宽度方向按1m进行划分。面板子模型的网格单元较密，共有35209各单元、35516个节点，其中由18606个面板单元、3705个趾板单元、624个垫层区单元和12274个摩擦接触单元所组成。混凝土面板和混凝土趾板单元同坝体单元一样都采用三维8节点6面体结构单元Solid185。面板实体元素模型如图1.5所示，面板的三维有限元网格如图1.6所示。图1.5面板实体模型图图1.6面板三维有限元网格图1.3.3坝体材料参数坝体不同区域采用不同的筑坝材料，分有垫层区、过渡区、主堆石区和堆砌石取共4种材料，材料分区如图1.7所示。每种堆石料都经过大型三轴试验统计其参数，得到的邓肯E-B模型参数成果如表1.3所示。坝顶、面板趾板浇筑均采用混凝土，坝顶采用C30混凝土，一、二期面板采用C25混凝土，其参数见表1.4。摩擦接触单元参数见表1.5。考虑流变进行流变计算时根据三轴流变变形试验资料，本次白泥面板堆石坝进行流变计算所采用的材料参数如表1.6所示。图1.7坝体材料分区平面图表1.3白泥面板堆石坝E-B材料参数表材料类型垫层区过渡区主堆石区堆砌石区弹性模量（MPa）110100100100泊松比μ0.1960.1460.130.13228022802220222019211600121112110.390.