面板堆石坝坝体结构分区优化及非线性数值分析

论文摘要

混凝土面板堆石坝作为土石坝和水工结构的重要坝型之一,在最近40年时间内得到了飞速发展,常常因其安全性好、体积小、施工快捷、造价低等优点受到国内外坝工界的关注和重视,成为目前具有很强竞争力和发展前景的坝型。虽然该坝型积累的设计经验较多,但从总体上来看,理论研究、数值计算方法等方面仍处于不成熟、不完善的阶段。传统的设计方法缺乏安全经济性衡量标准,已经不能适应现代面板坝的发展要求,而最优化设计在明确追求经济和安全的前提下,实现分析计算自动化,设计效率和质量都有显著提升。从我国近期面板坝的发展来看,主要特点和问题表现在:一是坝体高度在不断增加,筑坝材料要求提高,料源供需与投资成本大幅增加;二是地质、地形条件日趋复杂,坝体变形等问题较低坝有很大不同。所以,高坝的应力变形非线性分析必须重视。对于这些现存问题,本文主要研究内容如下:（1）基于工程结构优化设计理论,应用区间优化方法以及非线性有限元分析手段,考虑堆石料非线性等特点,采用邓肯张E-B模型,并充分模拟大坝分级碾压的施工过程和蓄水过程。对面板坝实际工程断面进行了分区优化,在体形尺寸、堆石用料、坝体变形等方面都得到了较好的综合优化效果。（2）按照面板堆石坝常用的本构模型和应力应变分析理论,对扎毛水库面板堆石坝进行了平面与三维非线性静力分析。重点研究了三维非线性有限元模型建立和分析过程,验证和完善了平面分析过程不能反映的一些坝体应力变形特征。对坝体结构静力计算成果进行了较为深入的比较分析,对原设计方案、分区合理性及其对坝体应力应变影响作了相关评价。（3）通过拟静力法对该面板坝进行了三维非线性动力分析,得出了坝体和面板等结构的动力效应结果,分析总结了面板和坝体动位移、动应力情况,提出了一些施工建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义及目的
• 1.2 国内外面板堆石坝发展历程及特点
• 1.2.1 面板堆石坝的发展历程
• 1.2.2 面板堆石坝的特点
• 1.3 国内外面板堆石坝设计发展研究现状
• 1.4 存在的问题
• 第二章 面板堆石坝应力变形分析的影响因素
• 2.1 堆石体自重和填筑标准的影响
• 2.2 堆石料的工程特性的影响
• 2.2.1 堆石料抗剪强度
• 2.2.2 堆石料的变形特性
• 2.2.3 浸水变形特性
• 2.2.4 流变特性
• 2.3 分区特点的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 面板坝应力变形计算的本构模型
• 3.1 非线性弹性模型
• 3.2 弹塑性模型
• 3.3 本章小结
• 第四章 面板堆石坝应力变形计算分析理论
• 4.1 静力应力变形分析及预测
• 4.1.1 堆石材料的应力应变性质
• 4.1.2 接触面力学性质
• 4.1.3 缝单元
• 4.1.4 加卸荷判据和强度条件
• 4.1.5 面板堆石坝逐级加载过程模拟
• 4.2 动力应力变形分析及预测
• 4.2.1 拟静力法抗震稳定计算
• 4.2.2 有限元法动力应力变形分析简介
• 4.3 ANSYS 简介及E-B 模型有限元实现
• 4.3.1 ANSYS 简介
• 4.3.2 邓肯张E-B 模型的有限元实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 混凝土面板堆石坝坝体分区优化研究
• 5.1 分区优化理论描述
• 5.2 混凝土面板堆石坝断面优化设计的数学模型
• 5.2.1 优化设计数学模型一般表达式
• 5.2.2 设计变量
• 5.2.3 目标函数
• 5.2.4 约束条件
• 5.3 算例分析
• 5.3.1 工程资料
• 5.3.2 优化模型的建立
• 5.3.3 计算工况及荷载
• 5.3.4 断面区间优化设计
• 5.4 优化结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 扎毛水库面板堆石坝非线性数值分析
• 6.1 工程概况
• 6.2 计算参数与工况
• 6.2.1 计算材料参数
• 6.2.2 接触面与网格生成
• 6.3 约束及荷载施加
• 6.4 计算结果
• 6.4.1 竣工期面板坝应力及位移
• 6.4.2 蓄水期面板坝应力及位移
• 6.4.3 地震工况面板坝应力及位移
• 6.4.4 成果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介