混凝土面板堆石坝变形特性三维有限元仿真分析
详细信息    本馆镜像全文|  推荐本文 |  |   获取CNKI官网全文
摘要
混凝土面板堆石坝现已成为世界上公认的一种比较经济的坝型,该坝型自20世纪80年代引入我国以来得到了蓬勃的发展,现已成为我国水利水电建设事业最具比选的坝型之一。近些年来,随着人们在强震、高寒、深厚覆盖层和复杂工程地质上筑坝,面板的变形、应力及周边缝、面板缝的止水结构就成为面板堆石坝安全的关键。如何尽量减小面板的变形、如何保证面板的应力在许可范围内、如何选择、设置止水形式使之适应缝的变形都是人们越来越关心的问题,因此,深入分析影响面板堆石坝面板及堆石料变形的影响因数,周边缝、面板缝和趾板缝的变形情况对于全面了解面板堆石坝的工作性能,确保坝体安全工作,以及为以后的面板堆石坝设计、施工提供技术参考等都具有重要的理论价值和实际意义。
     本文主要针对上述问题进行了深入研究,全文共分为两大部分。
     第一部分首先对面板堆石坝三维有限元计算本构模型进行总结分析,选出比较适合本文计算的本构。其次对混凝土面板堆石坝的应力变形特性进行分析总结,分析总结出堆石体及面板的应力变形特性规律及变形的影响因素、面板垂直缝及周边缝受力变形特点。最后建立九龙河某水电站混凝土面板堆石坝的三维计算模型,对水电站面板堆石坝在竣工期和蓄水期两种工况下的应力变形进行模拟计算。计算总结得出,该电站大坝是安全的,但在蓄水期面板上出现了较大的拉应力区,且最大拉应力已经超出了混凝土的最大承受值,在坝体的两侧靠近山体附近垂直缝的拉张较大,应采取措施改善面板及垂直缝的受力情况。
     第二部分是对水电站直线型混凝土面板堆石坝改为拱型混凝土面板堆石坝的可行性进行研究。主要是建立拱型混凝土面板堆石坝的三维计算模型,对坝体、面板、垂直缝及周边缝应力变形情况进行计算,并与直线型混凝土面板堆石坝的计算结果进行对比分析。结果表明以拱型混凝土面板堆石坝代替直线型混凝土面板堆石坝,可以有效地降低面板靠近两岸部位的拉应力区,且不显著增加面板中央部位的压应力,同时也有效的降低了垂直缝的拉开程度。因此,拱型面板堆石坝、折线型面板更有利于大坝的安全。
     本文的研究不仅为九龙河某水电站工程的安全、顺利进行打下了基础,而且本文提出的用拱型面板堆石坝代替直线型面板堆石坝的研究成果,可以作为其它同类工程的参考,具有重要的理论价值和实际意义。
The concrete-faced rock-fill dam (CFRD) has become one of the most economical dam types. Since the type of dam was introduced into our country, it has been flourishing.Nowadays, CFRD has been taken as one choice of dam types in water conservancy and hydropower construction of our country.In recent years, as CFRD engineers build dams on the strong-earthquake high-cold area, deep alluvium and complex engineering geology foundation, the deformation, stress , peripheral seam, and water-seal structure of slab joint have been the main problem of CFRD security. How to reduce the face plate deformation as far as possible , make the face plate stress in the certain scope, choose and establish the water-seal form to coordinate the deformation are more and more concerned. Therefore, It has the important theory value and the practical significance to understand the working performance, ensure the dam body security as well as the design and the construction by analyzing the influencing factor leading to the deformation of the face plate and the building material and the displacement of peripheral seam, slab joint and the toe board.
     The article focus on the above questions, and the article is divided into two major parts.
     In the first part , the article firstly analyses finite element constitutive 3D model of the CFRD to chose the better constitutive relationship. The next to analyze stress and the deformation of CFRD to generalize basic principle , the influencing factor and the character of the slab joint. The last to establish 3D model of one hydroelectric power station on the Jiulong river, and stimulate the stress and deformation under the completion and impoundment. We can obtain that the dam is safe ,but the big tensile stress areas on the face plate has already surpassed the concrete fundamental stress under impoundment and we should take some measures to change the stress of the face plate and the big vertical joint of the dam both sides nearby the mountain.
     In the second part, we study the feasibility of changing the type of the concrete-faced rock-fill dam type from the linear patter to arch pattern .The main measure we adopt is to establish 3D model to calculate the stress and the deformations of the dam body, the face plate , vertical joint and peripheral seam, then analyze the result contrary to the linear pattern concrete-faced rock-fill dam. The result indicates that the arch concrete- faced rock-fill dam instead of linear pattern may reduce the tensile stress approaching to mountain both sides as well as the vertical joint based on the increasing the tensile stress insignificantly. Therefore, the arch concrete-faced rock-fill dam is more advantageous to the dam security.
     The research of the article laid a foundation for the security and construction of the hydroelectric power station project on the Jiulong river , and the result of adopting the arch concrete-faced rock-fill dam instead of linear pattern has the important theory value and the practical significance as well as reference taken by the similar projects.
引文
[1]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
    [2]Sherard J.L.,Cooke J.Barry.Concrete-face plate Rockfill Dam:L.Assessment[J].J.of Geotechnical Engineering,1987,Vol.113,No.10:1096-1112.
    [3]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.
    [4]Cooke J B.Progress in Rockfill Dams.18th Terzaghi Lecture,Journal of Geotechnical Engineering.ASCE,1984.
    [5]Yue Zhongming,Yang Qing.Shuibuya the world's highest concrete face plated rockfill dam Hydropower and dam,2000..
    [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—混凝土面板堆石坝国际研讨会论文集,2000.
    [7]潘超,面板堆石坝筑坝材料的发展.安徽水利水电职业技术学院学报[J],2005,5(3):52-54
    [8]罗先启,刘德富,黄峰.西北口面板堆石坝面板裂缝成因分析[J].人民长江,Vol.27 No.9,1996
    [9]李君纯.沟后面板坝溃决的研究[J].水利水运科学研究,1995.12;
    [10]顾淦臣,戴永志.株树桥混凝土面板堆石坝漏水事故分析[J].红水河,Vol.21 No.2,2002.4
    [11]王长德,袁文革.面板堆石坝下游坝坡稳定可靠度分析[J].武汉水利电力大学学报,Vol.30 No.3.1997.6;
    [12]Brauns J,Kast K.Laboratory Testing and Quality Control ofRockfill Germen Practice.Advances in Rockfill Structure,Edited by Maranha das neves,E.Kluwer AcademicPublishers,Dordrech/Boston/London,1991;
    [13]Maksimovik M.Limit Equilibrium for Non-linear Failure Envelope and Arbitrary Slip Surface plate.3rd ICNMG,Anachen,Vol.2,1977;
    [14]柏树田.堆石在平面应变下的强度和应力应变关系.岩土工程学报,1991.6
    [15]赵剑明,常亚屏、陈宁、黄丽清.面板堆石坝地震反应分析的若干研究现状和进展及工作展望.中国混凝土面板坝20年.中国水利水电出版社,2005.8
    [16]赵剑明,陈宁、常亚屏.地震作用下土石坝边坡抗滑稳定性分析.首届全国环境岩土工程学术会议论文集.上海:同济大学出版社,2002.6
    [17]刘汉龙,费康,高玉峰.边坡地震稳定性时程分析法.岩土力学,2003.24(4)
    [18]李国英,赵魁芝,米占宽.堆石体流变对混凝土面板坝应力变形特性的影响.岩土力学,2005.5第26卷增刊;
    [19]沈珠江.土石料的流变模型及其应用[J].水利水运科学研究,1994.12;
    [20]郭兴文,孙林松,于玉莽.堆石流变性对水布娅面板堆石坝性状影响的研究[J].河海大学学报,Vol.29 No.3.2001.5:
    [21]郭兴文,王德信,蔡新.混凝土面板堆石坝流变分析[J].水利学报,1999.11;
    [22]孙钧.岩土材料流变及其工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1999:
    [23]丽能惠,蔡飞.鲁布革堆石坝的统计分析和反馈分析[J].南京水利科学研究院“八五”国家科技攻关研究报告,1995.1:
    [24]吴中如,沈长松.水工建筑物安全监控理论及其应用[M].南京:河海大学出版社,1990.8;
    [25]张正禄,张松林,黄个义,王瀛勇.大坝安全监测、分析与预报的发展综述;
    [26]张进平.大坝安全监测资料分析方法及信息处理技术的若干进展
    [27]吴中如,朱伯芳(主编).三峡水工建筑物安全监测与反馈设计[M].北京:中国水利水电出版社,1999;
    [28]肖浩波.面板堆石坝变形特性及分析模型研究.河海大学硕士学位论文,2006.3
    [29]沈珠江,左元明.堆石料的流变特性试验研究[A].第六届土力学基础工程学术会议论文集[C].上海:同济大学出版社,1991.443-46
    [30]沈凤生,陈惠远,潘家铮.混凝土面板堆石坝的蓄水变形分析[J].岩土工程学报,1990,12(1):74-81;
    [31]沈珠江.土石料的流变模型及其应用[J].水利水运科学研究,1994,(4):335-342;
    [32]沈珠江.鲁布革心墙堆石坝变形的反馈分析[J].岩土工程学报,1994,16(3):1-13;
    [33]徐泽平.面板堆石坝应力变形特性研究.中国水利水电科学研究院博士学位论文,2005.4;
    [36]Shimizu N.,Sakurai S.Application of Boundary Element Method for Back Analysis Associated with Tunneling Problems.Prec.Ofthe S'h Int.Conf.Boundary Elements.1983;
    [37]Sakurai S.,Takeuchi K.Back-Analysis by Measured Displacements of Tunnel.Rock Mechanics and Rock Engineering,1983,16(4);
    [38]束一鸣,董爱农堆石坝变形监控的统计、混合模型与反演分析[J].河海大学学报,Vol.24 No.S.1996.9
    [39]赵魁芝,李国英,沈珠江.天生桥混凝土面板堆石坝原型观测资料反馈分析[J].水利水运科学研究,2000.12
    [40]方维凤,李国英,邮能惠.高面板坝大坝观测资料反馈分析[J],水电能源科学,V01.20No.4.2002.12
    [41]Konder,R.L..Hyperbolic Stress-Strain Reponse.cohesive Soils,ASCE,Vol.89,No.SM5,1963
    [42]Duncan J M.,Chang C Y..Nonlinear Analysis of Stress and Strain in Soils.Journal of Soil Mechanics and Foundation Division.ACSE.1970(5);
    [43]Duncan J M.,etal..Strength,Stress-Strain and Bulk Modulus Parameters for Finite Element Analysis of Stresses and Movements in SoilMasses.ReportNo.UCB.GT.80-01,University of California,Berkrly.1980;
    [44]Naylor D J..Stress-Strain Law for Soils.Developments in Soil Mechanics,Edited by Scoff R F.1978;
    [45]Naylor,D.J.,A Continuous Plasticity Version of the Critical State Model,Int.J.for Num.Meth.In Engng.,Vol.21,1985;
    [46]Roscoe,K.H.,Burland,J.B 二 On the Generalized Stress-Strain Behavior of'Wet Clay'.Engineering Plasticity,Edited by Heyman,J.and Leekie,F.A.,Cambridge University Press.1988
    [47]肖化文、陈传慧,高混凝土面板坝面板应力分析现状[J],人民长江,2002,33(5):11-13
    [48]顾淦臣,黄金明.混凝土面板堆石坝的堆石本构模型与应力变形分析[J].水力发电学报,1991,(1):12-23.
    [49]董育坚.面板堆石坝建设20年纪念献辞(兼谈面板收缩裂缝问题)[J].中国混凝土面板堆石坝20年—综合·设计·施工·运行·科研[M]冲国水利水电出版社.2005.
    [50]潘家铮.序言冲国混凝土面板堆石坝20年—综合·设计·施工·运行·科研[M].中国水利水电出版社.2005
    [51]王瑞骏.混凝土面板堆石坝温度应力与干缩应力及渗流特性研究[博士学位论文][D].西安:西安
    理工大学,2006.3.
    [52]李湛.混凝土面板砂砾石坝渗透稳定的可靠性分析[硕士学位论文][D].新疆乌鲁木齐:新疆农业大学,2000.4
    [53]吴兴征,栗茂田,阴吉英.面板堆石坝应力与变形的弹塑性有限元计算与分析[J].大连理工大学学标,2000,40(5)602-608:
    [54]冷元宝,何剑,朱文仲等.混凝土面板堆石坝实用检测技术.黄河水利出版社,2003.10.
    [55]何辉.面板堆石坝应力变形特性分析与程序设计研究.[硕士学位论文]天津:天津大学2005.1.
    [56]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算.中国水利水电出版社.1996.5.
    [57]方维风.混凝土面板堆石坝流变研究.[D].南京:何海大学,2003.12.
    [58]夏富洲.混凝土面板堆石坝变形预测及反分析的神经网络方法.[博士学位论文]武汉大学2005.4.
    [59]肖化文,陈传慧.高混凝土面板坝面板应力分析现状.人民长江,2002,5第33卷第5期.
    [60]孙役,燕乔,王云清等.面板堆石坝面板开裂机理与防止措施研究[J].水力发电,2004.2.
    [61]杨德福,马锋玲,何树祥等.混凝土面板温度收缩应力及相关参数分析[J].水力发电,2002.7
    [62]徐泽平、邵宇、梁建辉.软岩筑面板堆石坝的坝体断面分区研究[J],水利学报,2004(1):62-66.
    [63]贾金生,郝巨涛,陈肖蕾.混凝土面板坝止水带设计与柔性填料[J].水力发电.2002(4):23-37.
    [64]魏寿松.天生桥一级大坝面板竖缝的挤压破损原因初探.云南水力发电[J].2004,20(1):56-59.
    [65]罗刚,张建民,沈珠江.紫坪铺混凝土面板堆石坝三维应力位移分析[J].水力发电学报,2002,41(1).
    [66]张建民,张嘎.面板堆石坝安全性评价的若干研究进展[J].
    [67]卢延浩,邵松佳.天生桥一级水电站面板堆石坝三维非线性有限元分析[J].红水河.1996(4).
    [68]郦能惠,李国英.公伯峡水电站混凝土面板堆石坝坝体三维非线性有限元静、动应力变形分析.南京水利科学研究院,2001.
    [69]朱晟,闻世强,黄亚梅.一座200m级高面板坝的变形和应力计算研究[J].河海大学学报(自然科学版).2003,31(6):631-634.
    [70]朱锦杰,邢林生.天生桥一级大坝面板应力分析[J].水力发电.2005,31(9):27-29.
    [71]邹军贤,廖建英.大坳面板坝初期蓄水原型观测资料分析.[J].江西水利科技.2001,27,增刊2:27-30.
    [72]朱纯祥,梁林林,唐国峰.莲花混凝土面板堆石坝监测成果分析.水力发电.2000(4):49-53.
    [73]戴妙林,吴宏明,沈洪俊,刘宗汉.万安溪面板堆石坝原型观测资料分析.水力发电.2002(5):52.-56.
    [74]郦能惠,李国英,赵魁芝,陈铁林.强震区高面板堆石坝静力和动力应力变形性状[J].岩土工程学报,2004 26(2):183-188.
    [75]郦能惠,米占宽,沈珠江.深覆盖层地基上混凝土面板堆石坝三维非线性有限元动静力应力变形分析[R].南京:南京水利科学研究院,2003.
    [76]刘松涛,程展林,陈云,任志伟.水布垭高砼面板堆石坝非线性和弹塑性分析[J]长江科学院院报,1999.16,(1).
    [77]王国强.芭蕉河一级混凝土面板堆石坝三维有限元分析与施工特点.西安理工大学硕士学位论文.2005.09.
    [78]卢廷浩,邵松佳.天生桥一级水电站面板堆石坝三限非线性有限元分析.[J]红水河1996,(4).
    [79]孙大伟.深覆盖层上高面板坝应力变形性状研究.南京水利科学研究院岩土所博士学位论文.2006.01.
    [80]李广信.高等土力学.清华大学出版社.2004.07.
    [81]高莲士.土体非线性解耦K-G模型的建模理论与试验研究[J].中国混凝土面板堆石坝20年—综合·设计·施工·运行·科研[M].中国水利水电出版社.2005.
    [82]徐泽平.面板堆石坝应力变形数值分析研究综述[J].中国混凝土面板堆石坝20年—综合·设计·施工·运行·科研[M].中国水利水电出版社.2005.
    [83]何蕴龙,罗健.折线型面板堆石坝的变形与应力分析.红水河.第4卷.第4期.
    [84]刘芳,张丙印,沈珠江,张建民.西龙池下库沥青混凝土面板堆石坝的应力变形分析.水利发电学报.2003年第4期.

© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号

地址:北京市海淀区学院路29号 邮编:100083

电话:办公室:(+86 10)66554848;文献借阅、咨询服务、科技查新:66554700