心墙堆石坝坝料分区配置应力应变有限元分析

论文摘要

土石坝因其具有可以就近、就地取材、施工方便、工期短、造价低、能适应较差的地形、地质和气候条件,安全性能好等诸多优点被广泛修建。心墙堆石坝是土石坝中一种非常重要的坝型,其结构组成可分为主堆石区、次堆石区、过渡层、反滤层和防渗心墙等。为降低工程造价,充分利用弃渣,各分区的坝料性能存在很大差异。如果坝料分区配置不合理,不仅会影响坝体的安全,还会增加筑坝成本,所以,在满足结构要求以及坝体安全的前提下,如何合理的进行坝料分区配置以达到节省造价的目的是心墙坝设计的一大重要课题。在土石坝的设计与施工当中,不仅要对土石坝坝体各分区的材料性能进行研究,如对料场各种填筑材料的强度、压实性、防渗性能等方面进行研究;还需对各种坝剖面分区方案进行比选,分析各分区方案应力变形规律。除此之外,为了充分利用坝址附近的土石料,还需对坝体的应力和变形进行材料参数的敏感性分析,研究坝剖面分区不同以及材料参数变化对坝体应力、变形、拱效应和抗水力劈裂能力等方面的影响,这可以为最终确定选用哪些材料作为筑坝材料提供非常重要的参考价值。本文以土质心墙堆石坝为例,通过介绍并比较常用的几种土体本构模型邓肯-张E-ν模型、邓肯-张E-B模型、广义邓肯-张E-B模型和D? P模型,最终选定非线性弹性模型中的邓肯-张E-B模型作为本次应力应变分析的本够模型;并且运用岩土软件GEOSTUDIO中的SIGMA/W模块对所拟定的四种不同坝剖面材料分区方案和五套原始材料参数方案在竣工期和蓄水期分别进行了平面非线性有限元分析。除此之外,对次堆石区在基准参数的基础上,通过改变材料参数,分析了各种方案坝体的应力和变形特性,进行了材料参数对坝体应力应变的敏感性分析,归纳总结了材料分区不同以及部分材料参数变化对坝体应力和应变的影响。最后验证了各分区方案坝坡的稳定性。通过大量对比计算分析,可以得出如下结论:在所拟定的坝体分区和材料参数指标下,坝体的应力和变形满足设计要求,坝体分区和材料配置是合理的。尽管坝剖面分区不同和材料参数变化会对坝体的应力和变形产生一定的影响,如坝体应力、变形、心墙拱效应以及抗水力劈裂能力的大小有一定的差异,但影响不大。相对而言,在同一种材料下,以分区方案P1对应坝体变形最小,拱效应最强烈;P4变形最大,拱效应最弱。在同一种分区下,以材料方案M1变形最小,M4拱效应最强烈;M2变形最大,M5拱效应最弱。4种分区方案坝坡都是安全的。总的来说,各种坝剖面材料分区各有优缺点,在设计施工的时候,需要考虑各方面因素的影响,选择最优方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的目的及意义
• 1.1.1 心墙坝的发展前景
• 1.1.2 目的及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 心墙坝坝体分区配料研究现状
• 1.2.2 土石料本构模型研究现状
• 1.2.3 土石坝应力应变分析研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 心墙坝筑坝材料的分区与利用
• 2.1 心墙坝筑坝材料的分区与选取
• 2.2 心墙坝坝料分区原则
• 2.3 坝壳堆石料利用原则
• 2.4 本章小结
• 第三章 土的变形特性及本构模型简介
• 3.1 土的变形特性
• 3.2 本构模型
• 3.2.1 非线性弹性模型
• 3.2.2 弹塑性模型
• 3.3 本构模型的评价
• 3.4 非线性有限元分析方法
• 3.4.1 迭代法
• 3.4.2 增量法
• 3.5 非线性有限元分析方法评价
• 3.6 单元破坏修正
• 3.7 本章小结
• 第四章 心墙堆石坝应力应变分析
• 4.1 工程概况及方案的提出
• 4.1.1 工程概况
• 4.1.2 方案的提出
• 4.1.3 应力应变计算参数
• 4.2 有限元建模及计算工况
• 4.2.1 有限元模型
• 4.2.2 应力应变计算工况及荷载分级
• 4.3 应力应变计算结果
• 4.3.1 考虑施工过程与不考虑施工过程坝体沉降计算结果比较
• 4.3.2 采用原始材料参数的计算结果
• 4.3.3 部分材料参数上、下调整10%后计算结果
• 4.4 采用原始材料参数应力应变计算结果分析
• 4.4.1 总体应力应变分析
• 4.4.2 坝料分区对坝体应力和变形的影响
• 4.4.3 坝料变形参数的敏感性分析
• 4.5 部分材料参数上、下调整10%后应力应变计算结果分析
• 4.6 坝坡稳定计算
• 4.6.1 计算工况
• 4.6.2 计算方法
• 4.6.3 计算条件及计算参数
• 4.6.4 计算结果
• 4.6.5 计算结果分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介