复杂加载条件下高面板坝应力变形有限元分析-论文.pdf

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1、第7期广东水利水电N【)．72014年7月GUANGDONGWATERRES0URCESANDHYDROPOWERJu1．2014复杂加载条件下高面板坝应力变形有限元分析(广东省水利电力规划勘测设计研究院，广东广州510635)摘要：采用非线性有限单元法，对某高混凝土面板堆石坝进行复杂加载条件下的应力变形仿真分析，揭示了面板堆石坝在各种工况下的应力变形规律，为工程设计提供了依据。关键词：复杂加载；高面板坝；应力变形特性；有限元分析中图分类号：TV641．43文献标志码：B文章编号：1008一叭12(2014)07—0004—04混凝土面板堆石坝对地形、地质和气候等条件

2、有1．407亿m，电站装机容量738．6MW。坝址位于峡谷着广泛的适应性，已成为当今最具竞争力的坝型之区，河谷呈“V”形，两岸山坡较陡，河流自北向南通_1J一。高面板堆石坝受施工周期、强度及拦洪度汛过坝区。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高为138m，等因素影响，需对大坝进行分期填筑，在坝内形成复坝顶宽为10rn，上下游坝坡均为1．o1．4；坝体填筑料杂子断面；同时混凝土面板的浇筑和水库的蓄(退)水区自上游向下游依次为垫层区、过渡区、主堆石区、也往往与坝体的施工过程交错在一起，即复杂填筑方次堆石区1、次堆石区2；垫层区水平宽度为3m，过式。在这样复杂填筑方式下，高面板堆

3、石坝所呈现出渡区水平宽度为3．5m，面板厚度变化自上而下为0．3的力学特性有所不同；另外，高面板堆石坝还存在着～0．7In；趾板宽为8．5m，与防渗帷幕相连。坝址处复杂的坝体应力路径、坝体分区堆石料造成的力学差地质条件良好，无软弱结构面，出露地层岩性主要为异性、面板脱空预防、河谷形状的影响等问题需要进燕山期中粒黑云二长花岗岩，岩质致密坚硬、强度高，一步研究。为合理地反应高混凝土面板堆石坝在复趾板基础固结灌浆深为10m，坝基帷幕灌浆最大深度杂填筑时的应力变形特性，有必要对其进行专门的理约为75m。因施工强度、周期及临时断面度汛等问论分析和数值模拟研究，以期能够为大坝的设

4、计和施题，大坝需分区分期碾压填筑，混凝土面板亦需分期工提供指导。浇筑(见图1)。笔者以该面板堆石坝为例采用有限单1概述元法按设计施工进程安排，对大坝分区填筑和面板分某拟建水电枢纽为一流域水电开发的第2梯级水期浇注进行仿真计算，重点研究大坝在自重及水荷载电站工程，水库控制流域面积为1．62万km，多年平均作用下的应力变形特性。流量为190m／s，正常蓄水为133m，总库容为图1大坝分区施工示意(单位：高程m)收稿日期：2014—02—19：修回日期：2014—05—12作者简介：王帅(1985一)，男，硕士，从事水工结构专业设计工作。·d·2014年7月第7期王帅：复杂

5、加载条件下高面板坝应力变形有限元分析No．7Jul_20142筑坝材料力学模型接触单元处法向应力和剪应力与法向相对位移和2．1堆石料力学模型切向相对位移的关系为：堆石体在一定的应力情况下会发生屈服，此时的㈩应力应变关系是一种非线性的曲线。邓肯等人1970年O"n根据康德(konder)关于土料三轴试验的偏应力与轴向式中和分别为切向和法向的单位长度劲度系应变近似呈双曲线的假定提出了E一双曲线模型j。数(kN／m)；O9和分别为切向相对位移和法向相该模型是在假定土石料抗剪强度符合摩尔一库伦破坏对位移。准则的条件下推导出的，因概念明确，参数确定方便，切向劲度系数由如下公式计

6、算：工程应用经验丰富，目前已在土石坝应力变形分析中_(1一)2K,T~((5)广泛使用J。1980年邓肯等人提出了E—B模型l6更适合堆石坝的结构分析，该模型对坝体水平变形的刻式中为接触面的切向劲度系数；y为水的容重；画更为准确J。邓肯一张E—B模型主要公式为：P。为大气压强；K、n、R，和6可通过接触面直剪试切线弹性模量：验确定。3计算模型和计算参数1一](1)3．1有限元模型切线体积模量：根据地质条件、大坝结构设计以及土石坝的一般受力变形特点，合理地确定面板坝的有限元计算域K=KbPf、P1(2)。，(地基深取1倍坝高)，对其进行有限元网格剖分。在卸荷或再加荷弹性

7、模量：混凝土面板与垫层之间设置无厚度接触单元，面板与E=Kurpf＼P，1(3)趾板之问设置无厚度连接单元。网格结点数为705，实体单元数为631，接触单元数为20。有限元计算网式中K，R，，，K，，，n，为材料试验参数，可格如图2所示。根据三轴试验测定。2．2面板与垫层接触力学模型由于面板与垫层两种材料的性质相差太远，在一定的受力条件下有可能在其接触处会产生错动滑移或开裂。对于面板与垫层之间的这种接触关系，目前通常采用一个虚拟的接触面或接触带进行模拟。Goodman于1968年提出的无厚度平面4节点接触单元，能较好地反应接触面切向应变和应力的非线性