基于分级加载高面板堆石坝应力变形研究

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1、基于分级加载高面板堆石坝应力变形研究　　摘要：依据非线性弹性KG模型理论对天池上水库面板堆石坝进行了应力变形分析。首先采用CAD图形和程序控制相结合方法建立坝体与地基模型，考虑了断层构造和岸坡变化，得到了较为精细的三维有限元模型。然后在模型计算中采用了施工逐级加载的方法对坝体进行了模拟，应用修正后的分级加载位移变形公式，对竣工期和正常水位蓄水期的应力变形进行三维有限元分析，得出了两种工况下断层对该高面板坝应力变形影响一般规律。关键词：面板堆石坝；非线性弹性模型；逐级加载；三维有限元；应力变形分析中图分

2、类号：TV314；TV641.4文献标识码：A文章编号：10堆石体是混凝土面板堆石坝最重要的组成部分，其变形程度对坝体的稳定和安全都有很大的影响[1]。以往的三维建模对地基部分大都只是近似的将地基看成平面进行分层，而未考虑其复杂的地形及地质条件；大都假设坝体施工是一次性完成的，因此其模拟分析不能真实反映坝体位移和变形。本文依据非线性弹性KG模型理论，利用大型有限元软件ADINA[2]对天池上水库面板堆石坝复杂地形及断层地质构造进行精细模拟，同时对坝体分级施工加载[34]进行了模拟，建立了三维有限元模型

3、，对竣工期和蓄水期坝体应力应变进行了分析[56]。1计算原理1.1非线性弹性KG模型基本理论2.2计算工况计算时分以下两种工况进行有限元模拟分析。（1）坝体竣工期。模拟了坝体逐级施工的过程，在模拟坝体施工完成后对坝体的应力应变进行分析。主要分七步逐级施加坝体的自重荷载：首先施加全部的山体、断层，接着施加到高程970m坝体断面（坝体最低高程为950m），从高程970～1050m，坝体土层厚度每20m加载一次，分五级施加，最后一级加载到高程1066m坝体+防浪墙断面。（2）坝体正常蓄水期。坝体逐级施工完成

4、后，在坝体上游施加水位为1063m的水荷载，对水荷载作用下的坝体的应力应变进行分析。3数值模拟分析利用有限元分析软件ADINA进行分析，计算时采用非线性摩尔-库伦准则[15]。取沿水流方向上游指向下游为X轴正向；Y轴正方向为沿坝轴方向从右指向左；Z轴正向为竖直向上与高程一致。地基模型范围为：坝基向上、下游各延伸150m，坝肩向左、右岸各延伸100m，底部伸至高程为800.0m处。10有限元模型建立时通过CAD图形和程序控制相结合的方法精细地模拟了河槽的不规则形状和断层节理构造。主要通过以下3步来生成三

5、维网格。（1）控制信息的读入。采用若干离散的关键点来控制三维河床，对坝体结构通过CAD图形和坝体的相关数据来控制，对坝体材料通过CAD图形和力学参数来控制，对于坝体的逐级施工通过数据文件来控制。[JP2]（2）网格的生成。通过若干控制面（可为空间曲面）来控制几何信息，面之间可以有重合，面按一定规律生成一张网络，并定义其投影点的属性，将各个投影点形成三维八节点六面体网格，根据具体的要求来调整一些节点的坐标；以单元为单位，根据其8个节点的坐标来判断单元的形状，从而将重复的点和不存在的单元滤掉，将不规则的单

6、元进行细分。[JP][JP2]（3）数据文件的生成。按逐级施工的顺序，将单元和节点号重排列，结合材料和荷载信息生成有限元计算数据文件。[JP]生成的三维网格见图2。10大主应力：由图4看出，大主应力的最大受拉区均在坝轴线偏上游部位的坝底岩基处，而最大受压区都在坝体二分之一处；F1剖面在蓄水后坝基的应力分布几乎没有什么大的变化，只是在坝体上游小垭口附近出现拉应力切拉应力值有所增大，而面板及坝体主堆石区压应力值有所增加，在坝体二分之一偏下游处压应力值有所减小；由图5可知，F2剖面在蓄水后的应力变化趋势和F

7、1剖面基本相同，只是F2剖面小垭口附近以压应力为主，压应力在主堆石区附近普遍增大；由F1、F2剖面比较得出，岸坡坡度越缓，坝肩处的拉应力值越大；由图8可知，F4横剖面的最大拉应力蓄水后有明显降低，而其余3个纵剖面的最大拉应力值变化不大。最大压应力在蓄水前后4个剖面变化都比较平和，各剖面的最大压应力值较最大拉应力值要大。小主应力：由图6、图7及图9看出，小主应力在两种工况下都只有压应力而无拉应力。两剖面小主应力的分布都是从坝体顶部到坝底逐渐增加。但F1剖面由于受到断层构造的影响小，主应力在断层面出现了不

8、连续的变化，与同高程面相比，断层面压应力明显增大。由图看出，在蓄水后各剖面压应力变化都比较平缓，最大、最小压应力均变化不大。[BT3][STHZ]3.2坝体变形分析为了便于分析横剖面的变形，这里增列了F4剖面的竖向位移等值分布图（以竖直上移为正）和水平位移等值分布图（以顺流水平位移为正）。10竖向位移：由图10、图11看出，两种工况下坝体及下方地基都发生沉降，只有在距离坝体较远的上游地基发生竖直上移，最大位移变形在坝体二分之一的坝基处，坝顶部位的位移变形