挤压式边墙对公伯峡面板堆石坝应力和变形的影响分析
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摘要
随着混凝土面板堆石坝的广泛应用,其施工工艺也在不断改进。其中挤压式混凝土边墙施工法是一种面板坝垫层料施工工艺改进的新方法。这种方法以其能够保证垫层料的压实质量和提高坡面防护能力以及施工简便等特点得到国际坝工界的重视,已成为一种面板坝垫层料施工的新经验。公伯峡混凝土面板堆石坝在国内首次采用了这种新技术。对挤压式边墙在混凝土面板堆石坝中的应用,还有很多新的问题需要进一步深入研究。
为便于研究公伯峡混凝土面板堆石坝挤压式边墙对大坝应力和变形的影响,本文首先分析了ABAQUS的二次开发功能,研究了用户材料子程序(UMAT)实现的原理及实现的步骤和方法,编制了Duncan-Chang E-B本构模型程序并导入到ABAQUS中并采用三轴试验的结果来验证程序的正确性。结果证明开发是成功的,开发的程序具有高效率、高精度、源代码简洁等优点,修改非常方便。
为简化挤压式边墙的计算和分析,本文研究用等效板来代替挤压式边墙,用等效接触面来代替挤压式边墙与大坝间的接触面。利用接触面剪切试验来获得相应的等效接触面模型参数,并对该方法的有效性进行了验证。
基于以上研究成果并结合公伯峡混凝土面板堆石坝的实际情况,对大坝进行了三维静态有限元分析,总结了坝体和面板的应力和变形规律。探讨了面板和挤压式边墙之间沥青涂层对面板应力分布的影响,认为挤压式边墙与混凝土面板之间的沥青层对面板应力的影响不大。
With the concrete face rockfill dam applied widely, its construction technics is being improved continually. Among them, the crush sidewall technics is one new method of cushion construction of face rockfill dam. This method can guarantee the quality of cushion compaction and improve the protective capability of slope face as well as its construction is simple and so on , so it got more recognition for the international dam world and it has become one kind of new experience. But it also has very many new questions to study deeply. This new method is used in Gongboxia concrete face rockfill dam for the first time in our country.
In order to consider the influence of crush sidewall to the stress and deformation of Gongboxia concrete face rockfill dam, this article analyzed the redevelopment function of ABAQUS firstly, and studied the principle and the process of the user material subroutine (UMAT), and programmed the construction model procedure of Duncan - Chang E-B and inducted it to ABAQUS, and used the results of triaxial test to confirm the accuracy of the procedure. The results proved that the procedure is successful. The procedure has many virtues such as high efficiency, high accuracy, simple source code、convenient revision and so on.
In order to simplify the computation and the analysis of crush sidewall, the model of this article used the equivalent board instead of crush sidewall and used the equivalent contact face instead of contact face between the wall and dam. This model parameters is obtained through shearing test and confirmed its validity.
Based on the above research results, this article used the three dimensional static finite element analysis to the dam, and concluded the rule of stress and deformation of the dam, and discussed the influence of the asphalt coating to stress distribution of face slab, and thought the influence is not obvious.
为便于研究公伯峡混凝土面板堆石坝挤压式边墙对大坝应力和变形的影响,本文首先分析了ABAQUS的二次开发功能,研究了用户材料子程序(UMAT)实现的原理及实现的步骤和方法,编制了Duncan-Chang E-B本构模型程序并导入到ABAQUS中并采用三轴试验的结果来验证程序的正确性。结果证明开发是成功的,开发的程序具有高效率、高精度、源代码简洁等优点,修改非常方便。
为简化挤压式边墙的计算和分析,本文研究用等效板来代替挤压式边墙,用等效接触面来代替挤压式边墙与大坝间的接触面。利用接触面剪切试验来获得相应的等效接触面模型参数,并对该方法的有效性进行了验证。
基于以上研究成果并结合公伯峡混凝土面板堆石坝的实际情况,对大坝进行了三维静态有限元分析,总结了坝体和面板的应力和变形规律。探讨了面板和挤压式边墙之间沥青涂层对面板应力分布的影响,认为挤压式边墙与混凝土面板之间的沥青层对面板应力的影响不大。
With the concrete face rockfill dam applied widely, its construction technics is being improved continually. Among them, the crush sidewall technics is one new method of cushion construction of face rockfill dam. This method can guarantee the quality of cushion compaction and improve the protective capability of slope face as well as its construction is simple and so on , so it got more recognition for the international dam world and it has become one kind of new experience. But it also has very many new questions to study deeply. This new method is used in Gongboxia concrete face rockfill dam for the first time in our country.
In order to consider the influence of crush sidewall to the stress and deformation of Gongboxia concrete face rockfill dam, this article analyzed the redevelopment function of ABAQUS firstly, and studied the principle and the process of the user material subroutine (UMAT), and programmed the construction model procedure of Duncan - Chang E-B and inducted it to ABAQUS, and used the results of triaxial test to confirm the accuracy of the procedure. The results proved that the procedure is successful. The procedure has many virtues such as high efficiency, high accuracy, simple source code、convenient revision and so on.
In order to simplify the computation and the analysis of crush sidewall, the model of this article used the equivalent board instead of crush sidewall and used the equivalent contact face instead of contact face between the wall and dam. This model parameters is obtained through shearing test and confirmed its validity.
Based on the above research results, this article used the three dimensional static finite element analysis to the dam, and concluded the rule of stress and deformation of the dam, and discussed the influence of the asphalt coating to stress distribution of face slab, and thought the influence is not obvious.
引文
【1】 陈尧隆.水利工程[M].水利电力出版社,1993 年 5 月
【2】 蒋国澄,傅志安,凤家骥.混凝土面板坝工程[M].武汉:湖北科学技术出版社,1997.
【3】 Cooke J B. Progress in Rockfill Dams [J]. 18th Terzaghi Lecture.Journal of Geotechniacal Engineering. ASCE,1984,110(10):1383 一 1414
【4】 傅志安,凤家骥.混凝土面板堆石坝[M].华中理工大学出版社,1993
【5】 Yue Zhongming, Yang Qing, Shuibuya. the world's highest concrete faced rockfill dam[J].Hydropower and dam,2000, 7(4): 94-97
【6】 蒋国澄,赵增凯.中国的高混凝土面板堆石坝[M].国际大坝会议一混凝土面板堆石坝国际研讨会论文集.(CFRD 2000).北京,2000.9 一 17
【7】 Terzaghi K. Discussion on Salt Springs and Lower Bear River Dams[J]. Trans. Of ASCE 1960,Vo1 125,Part2, 139-159
【8】 Cooke J B. The high CFRD dam[]J. Invited Lecture. International Symposium on Concrete Faced Rockfill Dams. Beijing, 18 September, 2000,1-4
【9】 蒋国澄.中国的混凝土面板堆石坝[J],水利发电学报,1994,3
【10】 蒋国澄.混凝土面板堆石坝进展概述[J].贵州水力发电,I 999,12(4) : 46-55
【11】 蒋国澄,混凝土面板堆石坝进展综述(2)[J],面板堆石坝工程,2000(4),33-38
【12】 中华人民共和国行业标准,混凝土面板堆石坝施工规范[S],SL 49-94,北京:中国水力出版社1994
【13】 (巴西)梅隆特,等(著)翁文林(译).伊塔佩比面板堆石坝施工新技术[J].水利水电快报,2002,23(12)1
【14】 FernandoResende,BayardoMateron.ITA 方法——面板堆石坝过渡层的施工新技术[A].第 20 届国际大坝会议混凝土面板堆石坝国际研讨会论文集[C] 北京:20001
【15】 苗树英,白昭鹏.挤压式边墙施工法在混凝土面板坝工程中的应用[J].陕西水力发电,2001,17(4):42-46
【16】 颉建军.面板堆石坝垫层施工及坡面防护技术的发展[J].水力发电,2003,29(4):44-46
【 17 】 卢 照 辉 , 张 志 强 . 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 坡 面 固 坡 技 术 初 探 [J]. 水 利 水 电 科 技 进展,2004,24(1):27-28
【18】 孙玉军,洪镝,武选正.公伯峡面板堆石坝混凝土挤压式边墙技术的应用[J].水力发电,2002,(8):45-48
【19】 宋永杰.公伯峡面板堆石坝设计与施工特点[J].水力发电,2002,(8):38-41
【20】 黄秋丽,林新平,杨正卿,简素梅.公伯峡水电站混凝土挤压式边墙试验[J].人民黄河,2003,25(12):33-34
【21】 崔雷.挤压式混凝土边墙施工技术在芭蕉河一级水电站的应用[J].西北水电,2004,(1): 26-28
【22】 张丕华,杨天秀.挤压式边墙护坡技术在芭蕉河面板坝工程中的应用[J]. 中国水利,2004,(14):39-40
【23】 王应合.挤压混凝土边墙新工艺在甘肃黑河龙首二级水电站工程中的应用[J].西北水力发电,2004,20(1):42-43
【24】 李方平,廖光荣.水布垭水利枢纽混凝土面板堆石坝挤压边墙施工技术[J]. 水利水电技术,2004,20(4):40-42
【25】 李振富,李文富,山永彪.垫层料碾压对挤压墙变位的影响[J].中国农村水利水电,2003,(11):53-55
【26】 肖化文.水布垭面板坝挤压边墙技术有限元计算分析[J].大坝与安全,2004.(3):3-8
【27】 日本土木工程学会,郭熙灵,文月一译.粗粒料的现场压实[M].中国水利水电出版社,2000
【28】 张启岳,司洪洋.粗粒料大型三轴试验的强度和变形特性[J].水利学报,1982 (9)
【29】 郭庆国.粗粒土的工程特性及应用[M].郑州:黄河水利出版社,1998. 8
【30】 田树玉.粗粒土抗剪强度特性的试验研究[J].大坝观测与土工测试,1997, 21 (2)
【31】 刘开明,屈智炯,肖晓军.粗粒土的工程特性及本构模型研究[J].成都科技大学学报, 1993 (6)
【32】 V.M. Sharma,K. Venkatachalam Animesh Roy, Strength and Deformation Characteristics of Rockfill Materials[J],XIII ICSMFE,1994,New De1hi,India pp959-962.
【33】 陈惠发,A.F.萨里普著,余天庆,王勋文译.土木工程材料的本构方程[M].武汉:华中科技大学出版社,2001
【34】 黄文熙.土的工程性质[M].北京:水利电力出版社,1984
【35】 李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2004
【36】 龚晓南.土塑性力学[M].浙江大学出版社,杭州,1999
【37】 屈智炯.土的塑性力学[M].成都科技大学出版社,1987
【38】 Kondner,R.L., Hyperbolic Stress-Strain response: Cohesive Soils[J].Soil Mech. And Found. Div., ASCE, Vol.89, 1963, (1):115-143
【39】 Duncan,J.M.and Chang,C.Y., Nonlinear Analysis of Stress and Strain in soils[J]. SMFD, ASCE, Vol. 96, SM5,1970
【40】 沈珠江.土体应力变形计算的一种新模型[A].第五届土力学及基础工程学术讨论会论文选集[C],建筑工业出版社,1990
【41】 杨菊生.有限元法程序设计[M].西安交通大学出版社, 1990
【42】 王勖成,邵敏.有限元法基本原理和数值方法[M].北京:清华大学出版社,2003
【43】 朱伯芳.有限元法原理与应用[M].中国水利水电出版社 1998 年 10 月
【44】 李亚智,赵美英,万小朋.有限元法与程序设计[M].科学出版社,2004 年 1 月
【45】 朱百里,沈珠江.计算土力学[M].上海:上海科技出版社,1990
【46】 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M]. 北京:中国水利水电出版社,1996
【47】 ABAQUS. Standard User's Manual[M].Hibbitte Karlsson&Sorenson INC,2002
【48】 ABAQUS. Theory Manual[Ml .Hihbitte Karlsson&Sorenson INC .2002
【49】 ABAQUS. CAE User's Manual[M].Hibbitte Karlsson&Sorenson INC,2002
【50】 ABAQUS. Analysis User's Manual[M].Hibbitte Karlsson&Sorenson INC,2002
【51】 冯卫星,常绍东,胡万毅.北京细砂土邓肯一张模型参数试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,18(3):327～330,1999
【52】 洪镝,武选正.公伯峡水电站混凝土面板浇筑技术探讨[J].水力发电,2004,30(8):35-37
【53】 李卧东,陈胜宏.接触摩擦问题的数值模拟[J]. 岩土力学,2003,24(3):385-388
【54】 顾淦臣,戴永志.黄河公伯峡混凝土面板堆石坝三维非线性分析[J].红水河,2001 年第 4 期
【55】 庄茁等译.ABAQUS/Standard 有限元软件入门指南[M].北京:清华大学出版社,1998
【56】 Khalid S.,Singh B. et al. Nonlinear Analysis of Concrete Face Rockfill Dam[J]. Journal of Geotechnical Engineering , 1990 , Vo1.116 , No.5:822-837
【57】 Leonards G. A.,Baladi G. Y .FEM Analysis of Elastic Stress Distributions in Embankments[J] . Journal of Geotechnical Engineering, 1990, Vo1.116. No.8
【58】 Gavan hunter , Robin Fell .Rockfill Modulus and Settlement of Concrete Face Rockfill Dams[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2003,10: 909-917
【59】 郦能惠,李国英,赵魁芝.公伯峡水电站混凝土面板堆石坝三维非线性有限元静、动力应力变形分析[J].土石坝工程,2003 年第 2 期
【60】 沈珠江.面板堆石坝应力应变分析的若干问题[A].中国混凝土面板堆石坝十年学术研讨会论文集[C].中国水力发电工程学会,1995
【61】 章为民,沈珠江.混凝土面板坝的计算研究[A].国际高土石坝学术研讨会论文集[C].北京:中国水力发电工程学会,1993
【62】 沈珠江.面板堆石坝面板应力影响因素的数值模拟[J].江苏力学,1992 年 8 月
【63】 Cooke, J.B, The concrete-faced rockfill dam[J]. International Water Power&Dam Construction. January 1991.
【64】 郦能惠,胡庆余,张宗亮.高面板堆石坝面板施工关键技术[J].土石坝工程,2003 年第 2 期
【65】 殷宗泽.土石坝应力变形计算中的几个问题[A].岩土力学及工程理论与实践论文集[C],北京:中国水利水电出版社,2002:8-12.
【66】 彭宣茂,李太生.混凝土面板堆石坝三维仿真分析[J].岩土力学,2003,24(5):767-770.
【2】 蒋国澄,傅志安,凤家骥.混凝土面板坝工程[M].武汉:湖北科学技术出版社,1997.
【3】 Cooke J B. Progress in Rockfill Dams [J]. 18th Terzaghi Lecture.Journal of Geotechniacal Engineering. ASCE,1984,110(10):1383 一 1414
【4】 傅志安,凤家骥.混凝土面板堆石坝[M].华中理工大学出版社,1993
【5】 Yue Zhongming, Yang Qing, Shuibuya. the world's highest concrete faced rockfill dam[J].Hydropower and dam,2000, 7(4): 94-97
【6】 蒋国澄,赵增凯.中国的高混凝土面板堆石坝[M].国际大坝会议一混凝土面板堆石坝国际研讨会论文集.(CFRD 2000).北京,2000.9 一 17
【7】 Terzaghi K. Discussion on Salt Springs and Lower Bear River Dams[J]. Trans. Of ASCE 1960,Vo1 125,Part2, 139-159
【8】 Cooke J B. The high CFRD dam[]J. Invited Lecture. International Symposium on Concrete Faced Rockfill Dams. Beijing, 18 September, 2000,1-4
【9】 蒋国澄.中国的混凝土面板堆石坝[J],水利发电学报,1994,3
【10】 蒋国澄.混凝土面板堆石坝进展概述[J].贵州水力发电,I 999,12(4) : 46-55
【11】 蒋国澄,混凝土面板堆石坝进展综述(2)[J],面板堆石坝工程,2000(4),33-38
【12】 中华人民共和国行业标准,混凝土面板堆石坝施工规范[S],SL 49-94,北京:中国水力出版社1994
【13】 (巴西)梅隆特,等(著)翁文林(译).伊塔佩比面板堆石坝施工新技术[J].水利水电快报,2002,23(12)1
【14】 FernandoResende,BayardoMateron.ITA 方法——面板堆石坝过渡层的施工新技术[A].第 20 届国际大坝会议混凝土面板堆石坝国际研讨会论文集[C] 北京:20001
【15】 苗树英,白昭鹏.挤压式边墙施工法在混凝土面板坝工程中的应用[J].陕西水力发电,2001,17(4):42-46
【16】 颉建军.面板堆石坝垫层施工及坡面防护技术的发展[J].水力发电,2003,29(4):44-46
【 17 】 卢 照 辉 , 张 志 强 . 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 坡 面 固 坡 技 术 初 探 [J]. 水 利 水 电 科 技 进展,2004,24(1):27-28
【18】 孙玉军,洪镝,武选正.公伯峡面板堆石坝混凝土挤压式边墙技术的应用[J].水力发电,2002,(8):45-48
【19】 宋永杰.公伯峡面板堆石坝设计与施工特点[J].水力发电,2002,(8):38-41
【20】 黄秋丽,林新平,杨正卿,简素梅.公伯峡水电站混凝土挤压式边墙试验[J].人民黄河,2003,25(12):33-34
【21】 崔雷.挤压式混凝土边墙施工技术在芭蕉河一级水电站的应用[J].西北水电,2004,(1): 26-28
【22】 张丕华,杨天秀.挤压式边墙护坡技术在芭蕉河面板坝工程中的应用[J]. 中国水利,2004,(14):39-40
【23】 王应合.挤压混凝土边墙新工艺在甘肃黑河龙首二级水电站工程中的应用[J].西北水力发电,2004,20(1):42-43
【24】 李方平,廖光荣.水布垭水利枢纽混凝土面板堆石坝挤压边墙施工技术[J]. 水利水电技术,2004,20(4):40-42
【25】 李振富,李文富,山永彪.垫层料碾压对挤压墙变位的影响[J].中国农村水利水电,2003,(11):53-55
【26】 肖化文.水布垭面板坝挤压边墙技术有限元计算分析[J].大坝与安全,2004.(3):3-8
【27】 日本土木工程学会,郭熙灵,文月一译.粗粒料的现场压实[M].中国水利水电出版社,2000
【28】 张启岳,司洪洋.粗粒料大型三轴试验的强度和变形特性[J].水利学报,1982 (9)
【29】 郭庆国.粗粒土的工程特性及应用[M].郑州:黄河水利出版社,1998. 8
【30】 田树玉.粗粒土抗剪强度特性的试验研究[J].大坝观测与土工测试,1997, 21 (2)
【31】 刘开明,屈智炯,肖晓军.粗粒土的工程特性及本构模型研究[J].成都科技大学学报, 1993 (6)
【32】 V.M. Sharma,K. Venkatachalam Animesh Roy, Strength and Deformation Characteristics of Rockfill Materials[J],XIII ICSMFE,1994,New De1hi,India pp959-962.
【33】 陈惠发,A.F.萨里普著,余天庆,王勋文译.土木工程材料的本构方程[M].武汉:华中科技大学出版社,2001
【34】 黄文熙.土的工程性质[M].北京:水利电力出版社,1984
【35】 李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2004
【36】 龚晓南.土塑性力学[M].浙江大学出版社,杭州,1999
【37】 屈智炯.土的塑性力学[M].成都科技大学出版社,1987
【38】 Kondner,R.L., Hyperbolic Stress-Strain response: Cohesive Soils[J].Soil Mech. And Found. Div., ASCE, Vol.89, 1963, (1):115-143
【39】 Duncan,J.M.and Chang,C.Y., Nonlinear Analysis of Stress and Strain in soils[J]. SMFD, ASCE, Vol. 96, SM5,1970
【40】 沈珠江.土体应力变形计算的一种新模型[A].第五届土力学及基础工程学术讨论会论文选集[C],建筑工业出版社,1990
【41】 杨菊生.有限元法程序设计[M].西安交通大学出版社, 1990
【42】 王勖成,邵敏.有限元法基本原理和数值方法[M].北京:清华大学出版社,2003
【43】 朱伯芳.有限元法原理与应用[M].中国水利水电出版社 1998 年 10 月
【44】 李亚智,赵美英,万小朋.有限元法与程序设计[M].科学出版社,2004 年 1 月
【45】 朱百里,沈珠江.计算土力学[M].上海:上海科技出版社,1990
【46】 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M]. 北京:中国水利水电出版社,1996
【47】 ABAQUS. Standard User's Manual[M].Hibbitte Karlsson&Sorenson INC,2002
【48】 ABAQUS. Theory Manual[Ml .Hihbitte Karlsson&Sorenson INC .2002
【49】 ABAQUS. CAE User's Manual[M].Hibbitte Karlsson&Sorenson INC,2002
【50】 ABAQUS. Analysis User's Manual[M].Hibbitte Karlsson&Sorenson INC,2002
【51】 冯卫星,常绍东,胡万毅.北京细砂土邓肯一张模型参数试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,18(3):327～330,1999
【52】 洪镝,武选正.公伯峡水电站混凝土面板浇筑技术探讨[J].水力发电,2004,30(8):35-37
【53】 李卧东,陈胜宏.接触摩擦问题的数值模拟[J]. 岩土力学,2003,24(3):385-388
【54】 顾淦臣,戴永志.黄河公伯峡混凝土面板堆石坝三维非线性分析[J].红水河,2001 年第 4 期
【55】 庄茁等译.ABAQUS/Standard 有限元软件入门指南[M].北京:清华大学出版社,1998
【56】 Khalid S.,Singh B. et al. Nonlinear Analysis of Concrete Face Rockfill Dam[J]. Journal of Geotechnical Engineering , 1990 , Vo1.116 , No.5:822-837
【57】 Leonards G. A.,Baladi G. Y .FEM Analysis of Elastic Stress Distributions in Embankments[J] . Journal of Geotechnical Engineering, 1990, Vo1.116. No.8
【58】 Gavan hunter , Robin Fell .Rockfill Modulus and Settlement of Concrete Face Rockfill Dams[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2003,10: 909-917
【59】 郦能惠,李国英,赵魁芝.公伯峡水电站混凝土面板堆石坝三维非线性有限元静、动力应力变形分析[J].土石坝工程,2003 年第 2 期
【60】 沈珠江.面板堆石坝应力应变分析的若干问题[A].中国混凝土面板堆石坝十年学术研讨会论文集[C].中国水力发电工程学会,1995
【61】 章为民,沈珠江.混凝土面板坝的计算研究[A].国际高土石坝学术研讨会论文集[C].北京:中国水力发电工程学会,1993
【62】 沈珠江.面板堆石坝面板应力影响因素的数值模拟[J].江苏力学,1992 年 8 月
【63】 Cooke, J.B, The concrete-faced rockfill dam[J]. International Water Power&Dam Construction. January 1991.
【64】 郦能惠,胡庆余,张宗亮.高面板堆石坝面板施工关键技术[J].土石坝工程,2003 年第 2 期
【65】 殷宗泽.土石坝应力变形计算中的几个问题[A].岩土力学及工程理论与实践论文集[C],北京:中国水利水电出版社,2002:8-12.
【66】 彭宣茂,李太生.混凝土面板堆石坝三维仿真分析[J].岩土力学,2003,24(5):767-770.