混凝土面板极端破坏情况下堆石坝渗流与应力变形特性研究

论文摘要

混凝土面板堆石坝是土石坝的主要坝型之一。大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,是目前许多工程的首选坝型之一。现代混凝土堆石坝的发展趋势是坝越建越高、工程规模越来越大,因此,准确预测面板极端破坏情况下堆石坝的渗流与应力变形特性,对面板堆石坝的设计及运行管理具有重要意义。但目前国内外对于混凝土面板极端破坏情况下堆石坝的渗流及应力变形特性问题的研究还未引起足够的重视,或者研究的深度还十分有限。本文首先结合两座已建的面板堆石坝工程,对混凝土面板极端破坏的特点、成因及危害进行了系统分析。然后,基于等宽缝隙水流运动规律,结合混凝土面板堆石坝的渗流机理,研究建立了面板接缝及面板裂缝的渗流计算模型、密集裂缝型面板渗流计算的等效准连续介质模型及面板极端破坏情况堆石坝的渗流计算模型,通过渗流场与温度场计算原理的相似性的对比分析,论证了用通用软件ADINA的“T”模块进行面板堆石坝渗流场分析的可行性;利用ADINA通用软件的二次开发平台,在其材料库中加入了邓肯-张E-B本构模型,获得了基于通用软件进行面板堆石坝应力变形三维有限元计算的有效途径;在对非线性有限元计算研究分析基础上,研究探讨了面板堆石坝应力变形计算中诸如接触、分级加载、面板裂缝与接缝等特殊边界模拟的问题,并通过二次开发,在ADINA软件中实现了上述特殊边界的模拟。最后,结合公伯峡面板堆石坝工程,针对正常及面板极端破坏等计算工况,进行了混凝土面板堆石坝渗流与应力变形的三维有限元计算,获得了各工况大坝渗流与应力变形的有限元计算结果,并将大坝蓄水期渗流与应力变形的计算结果与相应的实测结果进行了对比分析,结果表明,二者吻合程度较高,说明本文的计算结果是较为合理和准确的。本文所建立或提出的上述模型及方法,为混凝土面板极端破坏情况下堆石坝渗流与应力变形特性的研究和预测奠定了必要的理论基础,所获得的分析计算成果对类似工程也具有重要的参考和应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 研究背景及意义
• 1.1 混凝土面板堆石坝的发展
• 1.2 混凝土面板堆石坝研究的进展及存在的问题
• 1.2.1 混凝土面板堆石坝研究的进展
• 1.2.2 混凝土面板堆石坝研究过程中存在的问题
• 1.3 研究目的及意义
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究意义
• 1.4 本文的主要内容
• 2 混凝土面板极端破坏的成因及其危害
• 2.1 混凝土面板极端破坏的工程实例分析
• 2.1.1 实例1:西北口面板堆石坝
• 2.1.2 实例2:株树桥混凝土面板堆石坝
• 2.2 混凝土面板极端破坏的特点及成因分析
• 2.2.1 混凝土面板极端破坏的特点
• 2.2.2 混凝土面板裂缝成因分析
• 2.2.3 接缝止水失效的成因分析
• 2.3 面板发生极端破坏对大坝的危害
• 2.4 极端破坏情况下面板坝研究的关键问题
• 2.5 本章小结
• 3 面板极端破坏情况下堆石坝的渗流计算模型
• 3.1 渗流计算的基本理论
• 3.1.1 达西定律
• 3.1.2 连续性方程
• 3.1.3 渗流基本微分方程
• 3.1.4 渗流基本微分方程的定解条件
• 3.2 渗流有限元计算的基本原理
• 3.2.1 渗流计算方法简介
• 3.2.2 渗流有限元法的计算原理
• 3.2.3 渗流有限元计算的基本步骤
• 3.3 极端破坏情况下混凝土面板的渗流计算模型
• 3.3.1 面板裂缝与接缝的水力特性
• 3.3.2 面板接缝的渗流计算模型
• 3.3.3 面板裂缝的渗流计算模型
• 3.4 面板极端破坏情况下堆石坝渗流计算有限元模型
• 3.5 基于ADINA软件的面板堆石坝渗流有限元分析
• 3.5.1 ADINA软件简介
• 3.5.2 ADINA-T模块计算渗流场的理论基础
• 3.5.3 面板坝渗流场有限元分析在ADINA中的实现
• 3.6 算例验证
• 3.6.1 计算工况
• 3.6.2 有限元模型
• 3.6.3 计算参数
• 3.6.4 计算结果分析
• 3.7 本章小结
• 4 混凝土面板裂缝及接缝应力变形分析的有限元模型
• 4.1 混凝土面板堆石坝的材料本构模型
• 4.1.1 混凝土面板的本构模型
• 4.1.2 堆石体的本构模型
• 4.2 材料非线性问题的有限元解法
• 4.3 混凝土面板与垫层之间接触面的有限元模拟
• 4.4 面板接缝与裂缝的有限元模拟
• 4.4.1 面板接缝的有限元模拟
• 4.4.2 面板裂缝的有限元模拟
• 4.5 基于ADINA软件的面板堆石坝应力变形有限元分析
• 4.5.1 ADINA二次开发
• 4.5.2 大坝施工及运行过程的模拟
• 4.5.3 ADINA软件对特殊边界的模拟
• 4.5.4 基于ADINA软件面板坝应力变形有限元计算流程图
• 4.6 算例验证
• 4.6.1 计算工况
• 4.6.2 有限元模型
• 4.6.3 计算参数
• 4.6.4 计算结果分析
• 4.7 本章小结
• 5 公伯峡面板堆石坝渗流与应力变形有限元分析
• 5.1 公伯峡混凝土面板堆石坝工程概况
• 5.2 公伯峡面板堆石坝渗流有限元分析
• 5.2.1 计算工况
• 5.2.2 有限元模型
• 5.2.3 计算参数
• 5.2.4 计算结果分析
• 5.3 公伯峡面板堆石坝应力变形三维有限元分析
• 5.3.1 计算工况
• 5.3.2 有限元模型
• 5.3.3 计算参数
• 5.3.4 加载过程
• 5.3.5 计算结果分析
• 5.4 与观测结果的对比分析
• 5.4.1 公伯峡面板堆石坝观测设计
• 5.4.2 渗流计算结果与观测结果的对比分析
• 5.4.3 应力变形结果与观测结果的对比分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录