贴坡型面板堆石坝三维应力变形分析.pdf

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1、第41卷第15期人民长江Vo1．41．No．152010年8月YangtzeRiverAug．，2010文章编号：1001—4179(2010)15—0047—04贴坡型面板堆石坝三维应力变形分析刘君健，孙大伟，邓海峰2，苏永安。(1．三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002；2．中铁十二局集团第二工程有限公司，山西太原030032；3．宜昌市物资总公司，湖北宜昌443002)摘要：某混凝土面板堆石坝建在一段倾斜的不平整基岩上，为了考察该特殊坝基对坝体应力变形是否有不利影响，必须对该坝进行三维有限元分析。采用网格自动生成程序生成了贴坡型

2、面板堆石坝的三维有限元网格，对该面板堆石坝进行了非线性三雏静力有限元分析。通过计算得到了坝体和面板的应力变形分布规律，验证了利用此特殊地形不仅能减少开挖量，而且对面板堆石坝应力变形无不利影响，为贴坡型面板堆石坝的设计和施工提供了依据。关键词：有限元方法；应力变形；特殊地形；贴坡型面板堆石坝中图法分类号：TV641文献标志码：A高莲士用清华非线性解耦K—G模型对建在倾斜1工程概况基岩面上的西龙池面板堆石坝进行了三维应力及变形某水电站位于两县界河下游河段上，开发任务以分析⋯；潘家军对某贴坡型面板堆石坝进行了应力变发电为主，挡水建筑物为贴坡型混凝

3、土面板堆石坝，坝形分析。由此可见，在特殊地形上修建的贴坡型面顶高程为767．0m，最大坝高65．5m，上下游坝坡均为板堆石坝很少，为此需对此种特殊的面板坝进行三维1：1．4。该贴坡型面板堆石坝的坝基为一段不平整的有限元应力变形分析，以弄清大坝及防渗系统的应力河床基岩，形状较为特殊。该地基大致由3段组成，上变形性状，为大坝的最终设计方案提供理论依据。游坡段坡比约为1：2，中间段为水平，下游坡段坡比约2计算模型与计算方法为1：6。其中地基最高处高出上游建基面约23m，高出下游建基面约6．5m。该面板坝坝体断面和特殊地2．1有限元计算网格基典型断

4、面如图1所示。三维有限元网格不仅需要包括坝体本身，还需要包括周围的山体和特殊的地形。由于防渗体系对混凝土面板堆石坝的安全至关重要，因此网格还要尽可能真实地剖分出接触单元、周边缝和垂直缝。为此采用以Fortran语言编写的网格自动生成程序生成了质量很好的三维有限元网格。主要采用的单元类型为8节点六面体等参单元，为使网格的空间过渡成为可能，也有少数的6节点三棱柱等参单元和4节点四面体单元，同时此有限元网格还细致地模拟了坝体的逐层填图1坝体剖面材料分区及不规则地基筑施工顺序。坝体填筑过程按20级荷载施加，蓄水按收稿日期：2009一l2—02作者简

5、介：刘君健，男，硕士研究生，主要从事面板堆石坝的计算研究工作。E48人民长江5级水荷载施加，共计25级主增量。网格节点总数为2．2．3线弹性模型13729个，单元总数为12291个，与边界接触节点采混凝土面板、基岩采用线弹性模型，混凝土面板弹用理想连杆和铰支座，如图2所示。性模量取25GPa，容重取24．5kN／m，泊松比取0．167。岩石地基的弹性模量取20GPa，容重取22．0kN／m，泊松比取0．3。3计算结果3．1坝体变形与应力经过非线性三维有限元计算得到坝体典型剖面在蓄水期的位移和应力分布如图3～6所示。竣工期坝体向上游的水平位移

6、最大值为5．7cm，向下游的水平位移最大值为4．8cm，垂直位移最大值为17．3em；坝体的大主应力极值为0．71MPa，小主应力极值为0．22图2坝体及地基三维网格剖分MPa。蓄水期坝体向上游的水平位移最大值为2．22．2材料本构模型cm，向下游的水平位移最大值为5．9cm，垂直位移最大值为18．6em；坝体的大主应力极值为0．76MPa，小2．2．1堆石料本构模型主应力极值为0．27MPa。坝体最大沉降位于次堆石计算中堆石料本构模型采用E—B模型。，由区坝高1／2处(从地基最高点算起)附近，沉降约为坝于该模型的计算参数较少、物理概念明确

7、、测定参数所高的0．27％，说明坝体沉降量较小，利用此特殊地形需试验简单，在面板堆石坝的应力变形分析中得到广能够起到减小沉降的作用。水平位移和应力分布均呈泛的应用。此模型为非线性弹性模型的典型代表，可现面板坝坝体应力应变的一般规律，没有出现过大变以描述堆石体应力应变关系的非线性和压硬性。坝体形和较大应力区。堆石体的变形、应力极值统计见表堆石料E—B模型参数见表1。2表1坝体堆石料参数取值2．2．2Desai薄层接触单元图3蓄水期典型剖面水平位移分布(单位：cm)采用有厚度Desai薄层单元来模拟混凝土面板与堆石体之问的相互作用。当正应力是拉

8、应力时，接触面被拉开，此时取A=A：0。当正应力是压应力时，有：叫(-一Rf)㈩A=兰(2)图4蓄水期典型剖面竖直沉降分布(单位：cm)式中，A是接触面单元的切向刚度系数；p是大