西藏地区碾压式沥青混凝土心墙坝力学特性分析

摘要

碾压式沥青混凝土心墙坝在世界范围内广泛应用，也是我国大力推广的一种坝型之一。沥青混凝土心墙具有良好的适应变形的能力、抗震性能、抗冲蚀能力、抗老化能力及整体无须设置结构缝等优点，因此，可在任何气候条件下和任何海拔高度使用。理论分析和工程实践均表明，沥青混凝土心墙坝的安全性高，是一种极具发展潜力的坝型。碾压式沥青混凝土心墙坝的力学特性是目前国内外研究的重点和热点。为验证坝体结构的安全性及合理性，为坝体结构设计和优化设计提供依据，为西藏高寒地区碾压式沥青混凝土心墙坝的设计提供参考，碾压式沥青混凝土心墙坝的受力变形特点需要做进一步的研究。本文以西藏昌都市芒康县扎仓嘎水库、西藏日喀则市亚东县堆纳水库工程为依托工程，利用有限元计算原理，对沥青混凝土心墙坝进行三维非线性有限元静、动力计算分析，研究极限抗震，坝坡抗滑稳定，渗流场特性及渗控措施。主要结论如下:
　　(1)心墙应力沿坝高呈抛物线分布，两头小、中间大，且心墙应力大于两侧过渡层，心墙“拱效应”不明显。大量试验表明实际碾压得到的沥青混凝土基本力学性能参数偏低，模量数K值通常在200～400之间，通过计算表明当K取100，小于实际下限值时，心墙具有明显的“拱效应”;当K取200时，心墙“拱效应”基本消失。
　　(2)西藏地区碾压式沥青混凝土心墙坝，防渗墙的悬挂深度对工程的整体渗流特性影响较大，针对坝址的不同防渗墙悬挂深度开展敏感性分析。经研究表明，随着悬挂深度的增加，坝体的渗透比降逐渐减小，心墙和防渗墙的渗透比降逐渐增大，坝体-地基总渗流量逐渐减小;坝体、心墙和防渗墙的渗透比降均较小。悬挂深度应在渗透比降满足允许坡降要求下最优设计。
　　(3)沥青混凝土心墙内的最大水力坡降远小于其允许水力坡降，发生渗透变形的可能性较小;防渗帷幕最大水力坡降同样在允许范围内，但作为隐蔽工程，应注重其施工质量控制;坝体其余各部位填筑料的最大水力坡降均小于允许值，发生渗透破坏的可能性较小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 坝体静力分析研究现状

1．2．2 坝坡稳定性研究现状

1．2．3 坝体渗流分析研究现状

1．3 本文的主要研究工作

1．4 论文研究的技术路线

第二章 沥青混凝土心墙坝工程概况及有限元分析原理

2．1 工程概况

2．1．1 西藏昌都市芒康县扎仓嘎水库工程

2．1．2 西藏日喀则市亚东县堆纳水库工程

2．2 有限元计算原理

2．2．1 有限元法基本平衡方程

2．2．2 非线性有限元求解方法

2．3 本构模型

2．3．1 邓肯-张模型

2．3．2 线弹性模型

2．2．3 防渗墙与周边土体接触面模型

2．4 计算程序

2．5 本章小结

第三章 沥青混凝土心墙砂砾石坝三维有限元分析

3．1 有限元模型

3．1．1 计算模型

3．1．2 荷载分级

3．1．3 计算参数

3．2 扎仓嘎水库工程计算成果分析

3．2．1 坝体变形和应力

3．2．2 心墙变形及应力

3．3 沥青混凝土材料参数敏感性分析

3．3．1 敏感性分析方法及方案

3．3．2 参数敏感性分析

3．3．3 基于实测K值分析

3．4 坝体动力计算分析

3．4．1 计算工况

3．4．2 坝体动位移分析

3．4．3 心墙应力

3．5 堆纳水库工程坝体-坝基静力结构特性分析

3．6 完建期坝体-坝基位移-应力分析

3．6．1 完建期位移分析

3．6．2 完建期应力分析

3．7 运行期坝体-坝基位移-应力分析

3．7．1 运行期位移分析

3．7．2 运行期应力分析

3．8 本章小结

第四章 坝坡抗滑稳定计算分析

4．1 计算分析理论

4．1．1 基于极限平衡理论的边坡稳定分析理论

4．1．2 计算软件与程序

4．2 扎仓嘎水库工程计算工况及规范要求

4．2．1 计算工况

4．2．2 规范要求

4．3 计算参数及断面

4．3．1 计算参数

4．3．2 断面及有限元计算模型

4．4 计算结果分析

4．4．1 计算结果汇总

4．4．2 水位变动条件下的非稳定渗流及边坡稳定性分析

4．4．3 坝坡优化分析

4．5 本章小结

第五章 沥青混凝土心墙砂砾石坝三维渗流分析

5．1 三维渗流场计算理论及方法

5．1．1 有限元支配方程及定解条件

5．1．2 固定网格求解有自由面渗流问题的结点虚流量法

5．2 扎仓嘎水库工程三维渗流计算模型及计算方案

5．2．1 材料渗透系数取值

5．2．2 计算方案

5．3 计算结果分析

5．3．1 正常蓄水位下渗流场分析

5．3．2 设计／校核洪水位下渗流场分析

5．3．3 防渗帷幕参数敏感性分析

5．4 堆纳水库工程研究思路及计算说明

5．5 上坝址区渗流场特征

5．5．1 渗透压力分布规律

5．5．2 坝体及坝基渗流量

5．5．3 坝体及坝基渗透比降分布规律

5．6 下坝址区渗流场特征

5．6．1 防渗墙深度比选

5．6．2 推荐防渗墙深度下渗流特征分析

5．7 本章小结

6．1 结论

6．2 建议

6．3 展望

致谢

参考文献