软弱结构面影响下高拱坝静力分析研究.pdf

软弱结构面影响下高拱坝静力分析研究.pdf

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1、第32卷第3朗人民黄河Vo1.32.No.32010年3月YELL0WRIVERMar..2010【水利水电工程】软弱结构面影响下高拱坝静力分析研究李亚非,贾超(山东大学土建与水利学院,山东济南250061)摘要:建立含软弱结构面的高拱坝三维有限元弹塑性模型,混凝土采用Buyukozuturk屈服准则,岩体和软弱结构面采用Drucker—Prager准则,研究软弱结构面距坝位置改变及强度改变对坝体位移、应力及塑性区的影响。对各种组合的软弱结构面进行数值计算,并与无软弱结构面的情况进行了对比分析。结果表明:软弱结构面距坝较远时对坝体力学行为影响较小,距坝距离越近、强度与周围岩体相比较低的

2、软弱结构面对坝体应力与位移的影响越大。关键词:拱坝;软弱结构面;弹塑性;有限元中图分类号:TV223文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1000—1379.2010.03.056我国已建和在建混凝土坝的数量居世界首位,在建混凝土式中:C为黏聚力;为内摩擦角;,为应力张量的第一不变量。坝高度也位列世界首位I2J。近年来,越来越多的高拱坝建在1.2模型建立与计算参数含复杂地质构造的坝基上,如锦屏一级高拱坝、小湾高拱坝、溪计算模型拟定为混凝土双曲拱坝,最大坝高305nl,坝顶厚洛渡高拱坝等。这些高拱坝在复杂地质缺陷下的强度和稳定13m,坝底厚58m,拱顶中心线弧长568m,厚

3、高比为0.19,弧性研究是目前拱坝设计和分析中的重要课题。笔者基于张志高比为1.864,倒悬度为0.2,凸度为0.2。计算域以拱坝上游强等“介绍的软弱夹层对洞室稳定性影响的研究思路,对拱底部中心为坐标原点,向上游取1倍坝高,向下游取2.8倍坝坝岩体中的软弱结构面进行了研究,分析了其不同分布位置和高,沿顶拱坝肩向一侧延伸1.5倍坝高,建基面以下取1倍坝强度的改变对拱坝力学行为的影响。高,顶拱向上取40m。假定在右岸坝肩岩体存在一软弱结构面,软弱结构面的走向沿坝轴线方向,倾角为45。,厚度大约为1计算方法和模型7m。分别取软弱结构面与坝底中心距离为1.5倍坝高、1倍坝高和0.5倍坝高,对软

4、弱结构面的弹性模量、黏聚力、内摩擦角1.1本构模型和屈服准则依次折减计算,研究软弱结构面与坝底中心距离改变以及软弱岩石、混凝土等材料具有典型的非线性性质,非线性主要结构面强度下降对拱坝的影响。为便于描述,定义软弱结构面是应力应变非线性关系引起的J。对坝体}昆凝土和坝基岩体按照距坝底中心距离由远及近依次为A、B、C,折减系数分别取采用各向同性的弹塑性模型进行分析,为了准确地反映各种材K=0.4、=0.2、=0.1。为消除网格划分不同对计算结果料的力学特性,计算中采用不同形式的屈服、破坏准则。混凝的影响,模型计算全部采用相同的三维整体计算网格,见图1。土和基岩考虑材料硬化,软弱结构面不考虑

5、硬化,为理想弹塑坝体混凝土、岩体和软弱结构面的力学参数见表1。性材料。MSCMarc提供的混凝土弹塑性模型为Buyukozuturk建议,的弹塑性模型J,其屈服面表达式为f=卢+3一(1)Buyukozuturk建议常数J8=、:0.2,J、分别为偏应力张量的第一、第二不变量。坝基岩体和软弱结构面的屈服准则采用岩土体工程中常用的Drucker—Prager准则。MARC中LinerMohr—Colomb准则即为Drucker—Prager准则。屈服函数为图13个位置软弱结构面分布的整体网格/=+一(2)√j收稿日期:2009—05-08其中基金项目:国家“973”计划项目(2007CB

6、714104)。1n‘口作者简介:李亚非(1986一),女,山东曲阜人,硕士研究生,研究方向为混凝土Ot:——————=——一(3)+sin坝安全分析。通讯作者:贾超(1976一),男,江苏徐州人,博士,副教授。——3Ccos~(4)E.mail:jiachao@sdu.edu.cn~/3+sin‘D·122·人民黄河2010年第3期表1混凝土、岩体与软弱结构面物理力学参数以拉应力为正,压应力为负)。由计算结果可知:坝体的最大主拉应力均超过了混凝土拉应力的允许值,主拉应力主要分布在坝体下游面中下部拱圈的中部,并且最大主拉应力出现在下游面1/4坝高拱圈的中部;坝体上游面主拉应力较小,中部

7、高程的拱端主拉应力较其他部位大,超过了混凝土的抗拉强度,这是坝体与基岩接触部位产生集中力的结果。主压应力较大区域出现在下游面中部高程拱的两端。表3软弱结构面不同分布位置坝体最大应力1.3计算荷载由于建坝前基岩的重力场已经存在,因此将重力场作为初始地应力输入。模拟施工过程坝体应力状态的特点时将坝体分为3层进行浇筑,采用边浇筑边蓄水的方式加载。因此,考虑的荷载包括初始地应力、坝体自重和上下游水位。其中上游正常蓄水位为300m,下游相应水位为80m。

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