面板坝止水铜片

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1、ANSYS/LS-DYNA程序在水利工程中的应用混凝土面板堆石坝以其经济性和安全性在世界各地被广泛应用。坝高低于100米的面板坝接缝止水技术已发展成熟，坝高高于100米的面板坝在世界上已建成30座。多数坝止水防渗是成功的，但也有相当数量的面板坝在工程蓄水后止水发生破坏，造成了较大的经济损失。世界上现多采用三道止水作为面板坝周边缝基本止水形式。认真研究三道止水结构和材料在工作时的性能和表现是建成更安全、更高、更大型的面板坝的基础。正在规划中的湖北省清江水布垭水库坝高230米，是目前世界上最高的面板堆石坝。止水铜片作为一道独立止水措

2、施应用于面板堆石坝的周边止水结构中(见图1)。它镶嵌在混凝土面板与趾板之间，作为底部止水，需要承受周边缝在面板坝运行中产生的三向位移，即：面板与趾板间的相对张开、沉降、和剪切。还要承受由于前部止水措施失败而造成的高水头压力的作用。要得到止水铜片在三向位移和静水压先后共同作用下应力应变的分布及数值，完全用实验模拟有一定困难，故决定采用数值模拟。图1工程示意图我们受中国水利水电科学研究院结构所的委托，承接了计算任务。开始以为利用隐式积分算法的程序求解是可行，试算后发现所需机时无法承受。故决定采用ANSYS/LS-DYNA，现已圆满完

3、成任务。简述如下：甲方要求对实际工程中的F型断面和W型断面的止水铜片的强度进行比较，并给出建议。我们采用如下有限元模型，红色为模拟混凝土的八节点Hughes-Liu实体单元，绿色为模拟铜片的Belytschko—Tsay壳单元。此单元是基于经典薄壳理论，算法适于大位移和大转动，可采用非线性材料模型。单元的这些特性正适合此课题。图2计算模型网格图在实际工程中面板和趾板中的铜片在不同位置是与不同材料粘接在一起的，其粘接强度各不相同。在建模中我们充分考虑了这一点，将铜片与相同位置上的混凝土固接在一起，然后按照不同位置的粘接强度定义不同

4、的失效准则。当铜片与混凝土分开时，铜片会在混凝土中滑动，故需定义除折曲部的自身接触、折曲部与混凝土的变形体与刚性墙的接触外，还要定义混凝土内的铜片与混凝土的接触。加载为:1,将铜片的相对位移Ux,Uy,Uz从(0,0,0)成比例增加到(5,10,5)cm。其中：Ux为X向的张开位移，Uy为Y向的沉陷位移，Uz为Z向的剪切位移。2，对变形后的铜片折曲部分外侧加静水压，其压力值由0增至2.3Mpa。W型断面和F型断面的止水铜片的有限元网格图如下:图3W型图4F型三向位移后两种断面形式的铜片应力图如下：图5W型图6F型从上二图的比较可

5、明显的看出：W型端面止水铜片的折曲部在三向位移作用下大变形扭成麻花状，而F型变形要小得多。2.3Mpa的静水压施加后两种断面形式的铜片应力图如下：图7W型断面应力图8F型断面应力通过对W型、F型计算结果的比较可以看出W型铜片的折曲部在给定工况下的应力值远大于F型的相应情况。W型应力极值大约为300Mpa，铜片此时已开裂。F型折曲部应力最大值在150Mpa左右，在安全范围内。这主要原因是因为F型铜片在位移作用下易与混凝土脱开。故建议采用F型铜片，但一定要加强止水防渗措施。J实验与计算的比较为了对计算结果进行验证，我们采用中国水利水

6、电科学研究院做的铜止水抗剪切变形实验的第二组模型数据建模，并给予相同的加载条件，现将实验与计算得到的铜止水与趾板混凝土相交直线段处的平均剪切应力值比较如下：止水铜片剪位移－－平均应力关系实验有测量误差，计算有计算误差，二者总体上一致说明计算是可靠的。现在报告已交,对方对计算分析结果满意,说这是他们报告中最有光彩的部分。项目负责人：北京理工大学应用力学系：娄平宜机电工程系：丁刚毅参加者：孙明贵，蒋维成1998年6月