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。