施工期坝面过水面板堆石坝渗流场与应力场的耦合分析
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摘要
随着混凝土面板堆石坝筑坝技术的发展,混凝土面板堆石坝越建越高、工程规模越来越大,已成为现代面板堆石坝发展的基本趋势。在面板堆石坝的施工过程中,往往截流后坝基处理和坝体填筑工程量较大,造成汛期前不能将坝体填筑到拦洪高程,因此采用围堰和大坝坝面过水的度汛方案往往是可供选择的方案之一。对于采用坝面过水度汛方案的面板堆石坝,如何合理而准确地进行汛期及运行期大坝的渗流和应力变形分析,对于此类工程设计与施工具有重要意义。
本文首先论述了面板堆石坝施工期导流度汛标准、导流方式及其选择。论述了坝面过水度汛的一般程序,并结合工程实例加以说明。其次,基于渗流场与温度场计算原理的相似性的对比分析,论证了在通用有限元程序ADINA中实现面板堆石坝渗流计算的可能性。基于非线性邓肯-张EB本构模型,通过在ADINA中应用单元生死功能、时间函数、时间步的联合设置来模拟了堆石坝分层填筑、汛期过水及汛后填筑过程。探讨了堆石坝渗流场与应力场相互作用的耦合机理,通过渗透系数与孔隙率之间的函数关系,建立了渗流场与应力场耦合分析的非线性数学模型。最后,基于上述研究成果,结合黄石滩面板堆石坝工程,分析了施工期坝面过水对大坝渗流场及应力场的影响规律及对汛后大坝填筑的应力场的影响规律。同时针对考虑堆石体渗流场与应力场耦合这两种情况,进行了大坝渗流场及应力场的二维有限元分析计算,获得了上述两种情况下大坝渗流场及应力场的分布与变化规律。
本文所建立或提出的上述模型及方法,为施工期坝面过水面板堆石坝的渗流场、应力场及其耦合分析的计算方法进行了一些探索,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。
With the development of CFRD technology, the height of CFRD is more and more higher, and the size of the project is more and more greater, which has become a basic development trend of modern CFRD. In CFRD construction process, the time is long of dealing with the dam foundation and dam filling, it's impossible to filling the dam to flood retention elevation before the flood season. So it's an options can be choised of flood prevention programs with cofferdam and overflow dam. For the use of overflow CFRD to prevention flood,it's importance to analysis the seepage and stress reasonable and accurate for project designin and construction in flood and working period.
In the beginning of this paper, dissert the prevent flood standard、the way of flow-guiding and how to choose in construction period. Discussed the general procedure of flood prevention with overflow dam with the project example. Based on the comparative analysis of calculation principle's similarity between seepage filed and temperature field, the feasibility of CFRD seepage field analysis with generic software ADINA module is demonstrated. Based on the nonlinear Dengken E-B constitutive material model, Through combination setting of the element birth and death, time function and time step in ADINA were used to simulate construction course of CFRD compaction in layers, overflow in flood period and dam filling after flood period. The paper reach the coupling mechanism between rockfill seepage and stress field, establish nonlinear coupling mathematical model for seepage and stress field coupling analysis through establish function relationship between permeability and porosity. In the end, based on above research production, combined HUANGshitan CFRD.Obtain seepage and stress distribution and diversification rules though 2D finite element analysis calculation in the case of considering their coupling influence or not.
The model and method obtained in the paper explore the calculation method of seepage, stress field and coupling analysis of seepage field and stress field. The research results have very important reference and application value to the similar projects.
本文首先论述了面板堆石坝施工期导流度汛标准、导流方式及其选择。论述了坝面过水度汛的一般程序,并结合工程实例加以说明。其次,基于渗流场与温度场计算原理的相似性的对比分析,论证了在通用有限元程序ADINA中实现面板堆石坝渗流计算的可能性。基于非线性邓肯-张EB本构模型,通过在ADINA中应用单元生死功能、时间函数、时间步的联合设置来模拟了堆石坝分层填筑、汛期过水及汛后填筑过程。探讨了堆石坝渗流场与应力场相互作用的耦合机理,通过渗透系数与孔隙率之间的函数关系,建立了渗流场与应力场耦合分析的非线性数学模型。最后,基于上述研究成果,结合黄石滩面板堆石坝工程,分析了施工期坝面过水对大坝渗流场及应力场的影响规律及对汛后大坝填筑的应力场的影响规律。同时针对考虑堆石体渗流场与应力场耦合这两种情况,进行了大坝渗流场及应力场的二维有限元分析计算,获得了上述两种情况下大坝渗流场及应力场的分布与变化规律。
本文所建立或提出的上述模型及方法,为施工期坝面过水面板堆石坝的渗流场、应力场及其耦合分析的计算方法进行了一些探索,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。
With the development of CFRD technology, the height of CFRD is more and more higher, and the size of the project is more and more greater, which has become a basic development trend of modern CFRD. In CFRD construction process, the time is long of dealing with the dam foundation and dam filling, it's impossible to filling the dam to flood retention elevation before the flood season. So it's an options can be choised of flood prevention programs with cofferdam and overflow dam. For the use of overflow CFRD to prevention flood,it's importance to analysis the seepage and stress reasonable and accurate for project designin and construction in flood and working period.
In the beginning of this paper, dissert the prevent flood standard、the way of flow-guiding and how to choose in construction period. Discussed the general procedure of flood prevention with overflow dam with the project example. Based on the comparative analysis of calculation principle's similarity between seepage filed and temperature field, the feasibility of CFRD seepage field analysis with generic software ADINA module is demonstrated. Based on the nonlinear Dengken E-B constitutive material model, Through combination setting of the element birth and death, time function and time step in ADINA were used to simulate construction course of CFRD compaction in layers, overflow in flood period and dam filling after flood period. The paper reach the coupling mechanism between rockfill seepage and stress field, establish nonlinear coupling mathematical model for seepage and stress field coupling analysis through establish function relationship between permeability and porosity. In the end, based on above research production, combined HUANGshitan CFRD.Obtain seepage and stress distribution and diversification rules though 2D finite element analysis calculation in the case of considering their coupling influence or not.
The model and method obtained in the paper explore the calculation method of seepage, stress field and coupling analysis of seepage field and stress field. The research results have very important reference and application value to the similar projects.
引文
[1]蒋国澄,傅志安、风家骥.混凝土面板坝工程[M].武汉：湖北科学技术出版社,1997：1-18,162-164.
[2]王瑞骏.混凝土面板的温度应力与干缩应力及其渗流特性[M].西安：西安地图出社,2007.
[3]林继镛.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社.
[4]蒋国澄.中国的混凝土面板堆石坝[C].见：国际高土石坝学术研讨会论文集.北京：中国水力发电工程学会,1993.65-87.
[5]蒋国澄,曹克明.中国混凝土面板堆石坝十年回顾[A].见：中国混凝土面板堆石坝十年学术研讨会论文集[C].北京：中国水力发电工程学会,1995.1-19.
[6]本书编写委员会.水布垭面板堆石坝前期关键技术研究[M].北京：中国水利水电出版社,2005.68-137.
[7]徐泽平.混凝土面板堆石坝应力变形特性研究[M].郑州：黄河水利出版社,2005.
[8]蒋国澄等.中国混凝土面板堆石坝20年[M].北京：水利水电出版社,2005：3-31,176-181.
[9]吉小明,王宇会.岩体地下流固耦合理论的研究综述[J].石家庄铁道学院学报,2002,15(2)：27-31.
[10]Snow D T. Anisotropic permeability of fractured media. Water Resource Res.,1969,5(6):1273-1289.
[11]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：中国水利水电出版社,2003.1-63,89-124,306-342.
[12]林昭.碾压式土石坝设计[M].河南：黄河水利出版社,2003.
[13]Terzaghi K. Theoretical soil mechanics[M]. New York, Tiho Wiley,1943.
[14]Biot M A.General solution of the equation of elasticity and consolidation for porous material[J]. Jour. Appl.Mech.,1956(78):91-96.
[15]Verruijt.Elastic storage of aquifers[A]. In:Flow Through Porous Media [C]. R J M. New York:Tiho Wiley,1969:5-65.
[16]Gangi A F. The variation of mechanical and transport properties of cracked rock with pressure. Proc. 22nd, U. S. Rock Mech.,1981.
[17]Killsall P C, et al. Evaluation of excavation induced changes in rock permeability [J]. Int. J. Rock Mech. Min. Sci.,1984(3).
. [18] Oda M. An equivalent continuum model for coupled stress and fluid flow analysis in jointed rock masses[J]. Water Resources Research,1986(13).
[19]Noorishad J.Coupled thermal-hydraulic-mechanical phenomena in saturated fractured porous [J]. Numerical approach. J. Geoph. Res,1989(B12).
[20]陈平,张有天.裂隙岩体渗流与应力耦合分析[J].岩土力学与工程学报,1994(4)
[21]杨廷毅,周维垣.裂隙岩体非线性流变性态与裂隙扩展过程关系研究[J].工程力学,1994(2)：81-90.
[22]张玉卓,张金才.裂隙岩体渗流与应力耦合的试验研究[J].岩土力学,1997(4)：59-62.
[23]耿克勤,吴水平.拱坝和坝肩岩体的力学与渗流的耦合分析实例[J].岩土力学与工程学报,19 97(16)：125-131.
[24]高海鹰,夏颂佑.三维裂隙岩体渗流场与应力场耦合模型研究[J].岩土工程学报,1997,19(2)：102-105.
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[26]杨明举.地下水封裸洞储存LPG耦合问题的变分原理及应用[J].岩土力学与工程学报,2003(4).
[271黄涛.渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌水量预测的研究[D]：[博士论文].成都：西南交通大学,1997.
[28]黄涛,杨立中.工程岩体地下水渗流-应力-温度耦合作用数学模型的研究[J].西南交通大学学报,1999,34(1)：11-15.
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[30]沈振中,徐志英,等.三峡大坝坝基粘弹性应力场与渗流场耦合分析[J].工程力学,2000,17(1)：105-113.
[3l]陈庆中,张弥,等.应力场-渗流场-流场耦合系统问题[J].工程力学,2000,17(6)：53-58.
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[39]李建中.水力学[M].陕西：陕西科学技术出版社,2002.
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[42]罗先启,葛修润.混凝土面板堆石坝应力应变分析方法研究[M].北京：中国水利水电出版社,2007.
[43]孙振远.堆石料工程特性及面板堆石坝应力应变研究[D]：硕士学位论文.南京：南京水利科学研究院,2003.
[44]吕海东.混凝土面板堆石坝渗流场与应力场的耦合分析[D]：硕士学位论文.西安：西安理工大学,2007.
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[46]王观琪.基于ABAQUS的混凝土面板堆石坝三维应力和变位分析[D]：硕士学位论文.武汉：武汉大学,2004.
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[49]傅志安,凤家骥.混凝土面板堆石坝[M].武汉：华中理工大学出版社,1993.
[50]冉新民.公伯峡水电站混凝土面板堆石坝设计与施工[D]：工程硕士学位论文.西安：西安理工大学.
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[52]柴军瑞.大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析[D]：博士论文.西安：西安理工大学,2000.
[53]陆丽.深覆盖层地基土石坝渗流场与应力场的耦合分析[D]：硕士学位论文.西安：西安理工大学,2007.
[54]贝尔(J.Bear)[著]；李竞生,陈崇希[译].多孔介质流体动力学[M].北京：中国建筑工业出版社,1983.
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[57]张伟.渗流场及其与应力场的耦合分析和工程应用[D]：博士论文.武汉：武汉大学,2004.
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[59]王勋成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社,2006.
[60]徐次达,华伯浩.固体力学有限元理论、方法及程序[M].北京：水利电力出版社,1983.
[61]张媛媛.ANSYS在土坝渗流场和应力场及其耦合分析中的应用研究[D].南京：河海大学硕士学位论文,2006.
[62]钟家驹.土石坝工程[M].西安：陕西科学技术出版社.2008.
[63]田斌,戴会超,童富果.混凝土面板堆石坝施工度汛断面坝坡稳定性研究[J].水利发电学报,2005,20(6)77-80.
[64]B.M.Das,Principles of Geotechnical Engineering.Boston:PWS Publishers.1985.
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[64]B.M.Das,Principles of Geotechnical Engineering.Boston:PWS Publishers.1985.
[65]李炎隆,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[D]：硕士学位论文.西安：西安理工大学,2008：23-24.