混凝土面板堆石坝应力变形有限元计算研究

论文摘要

混凝土面板堆石坝是土石坝的主要坝型之一,坝主体由堆石或砾石组成,起支承作用,其上游面设置混凝土面板起防渗作用。面板坝具有对基础要求低、导流简易、造价较低、施工简便快速等特点,是当前水利水电工程中推广的三大新型坝型之一。堆石体作为混凝土面板坝的主要筑坝填料,其本构模型选择及参数确定一直是土石坝工程数值分析中的难点问题。当今国内面板坝应力变形分析中常用的堆石体本构模型主要是基于广义虎克定律或者传统塑性本构理论的概念和假设而建立的,如邓肯BB模型、沈珠江双屈服面模型等。杨光华等人基于广义塑性力学理论,直接从数学原理出发,避开了传统弹塑性理论中由于涉及到屈服面的概念所存在的困难,提出了多重势面本构理论。本文主要的工作和成果归纳如下：1.本文对堆石体常用的两种本构模型及多重势面模型进行了评述与分析。在前人研究成果基础上,多重势面模型参数选择沈珠江模型的参数,沈珠江模型和多重势面模型都充分考虑了卸载情况的本构模型,传统模型卸载泊松比取为0.3,本文借鉴前人的做法,将邓肯E-B模型的初始泊松比来代替卸载泊松比,计算结果有所改善。当然,由于本文的做法缺乏试验检验,其合理性有待进一步研究。2.将利用自行开发了面板堆石坝的三维非线性有限元程序,以福建仙游抽水蓄能电站上库混凝土面板堆石坝为研究对象,进行了三维有限元应力变形分析,并将三种模型进行比较,突出改进后模型的优越性。程序中有限元方程解法采用中点增量法,模拟坝体逐级施工和蓄水的加载过程。混凝土面板采用线弹性本构模型,面板与垫层之间的接触面、面板垂直缝及周边缝间止水连接均采用古德曼无厚度单元模拟。3.文章最后将运用将三种模型计算所得的沉降量与实测的沉降进行对比,结果显示考虑卸载情况下的沈珠江模型计算的竣工期堆石体最大沉降量与实测吻合较好,这克服了以往沈珠江模型计算位移值偏小的缺陷。而本文的多重势面模型计算所得结果,面板顺坡向应力更加接近沈珠江模型结果,而位移值偏小。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 面板堆石坝的发展历程
• 1.3 混凝土面板堆石坝的特点
• 1.3.1 安全可靠性方面
• 1.3.2 施工和经济性方面
• 1.3.3 运行和适应性方面
• 1.4 混凝土面板堆石坝应力变形特性研究现状
• 1.4.1 国外研究概况
• 1.4.2 国内研究概况
• 1.5 本文的研究意义和主要内容
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究主要内容
• 第二章 堆石体的本构模型
• 2.1 概述
• 2.1.1 邓肯-张模型
• 2.1.2 沈珠江双屈服面模型
• 2.1.3 多重势面模型
• 2.2 三种本构模型的评价
• 第三章 堆石坝有限元分析的数学模型与方程解法
• 3.1 堆石坝有限元分析的数学模型
• 3.1.1 堆石料静力结构方程
• 3.1.2 实体单元数学模型
• 3.1.3 接触面单元数学模型
• 3.1.4 连接单元的数学模型
• 3.1.5 局部坐标和整体坐标的转换
• 3.2 堆石坝非线性有限元方程解法
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 迭代法
• 3.2.3 增量法
• 3.2.4 本章小结
• 第四章 面板堆石坝有限元程序设计
• 4.1 有限元前处理
• 4.2 本体程序
• 4.2.1 程序中填方与挖方施工过程的模拟
• 4.2.2 本体程序流程与结构
• 4.3 有限元后处理
• 第五章 工程应用
• 5.1 仙游抽水蓄能电站上库面板堆石坝应力变形三维计算
• 5.1.1 工程概况
• 5.1.2 网格划分
• 5.1.3 填筑分期
• 5.1.4 分级加载
• 5.1.5 计算模型参数
• 5.2 模型计算成果比较分析
• 5.2.1 竣工期计算成果分析
• 5.2.2 蓄水期计算成果分析
• 5.2.3 面板周边缝和垂直缝的变形分析
• 5.3 各模型计算值与实测资料的比较
• 总结与展望
• 本文总结
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历