高沥青混凝土心墙坝不同坝体结构的动力特性研究

摘要

沥青混凝土心墙坝因具有能够适应复杂地质条件的能力被广泛使用于我国西北、东北等高海拔条件恶劣地区。在相同地质条件下，坝体高度越高，其带来的经济效应越大。由于水压力的作用，心墙会向下游产生挠曲变形，而河谷宽度不变，则心墙坝肩处会产生拉应力。但随着高度的增加，传统直心墙直坝坝肩处拉应力会逐渐增大。在拉应力超过沥青混凝土抗拉强度时，心墙会产生拉裂缝，从而导致溃坝。为减小拉应力，我们提出将传统直心墙直坝设计成心墙为凸向上游的曲心墙直坝。而我国西部地区工程地质条件复杂，地震频发、强度大。若这些地区高坝发生地震破坏，就会产生严重后果。因此，本文通过ABAQUS和Geo Studio有限元软件研究不同坝体高度(90m、50m、130m、150m)和不同心墙曲率（6.7×10-5m-1、9.6×10-5m-1、1.1×10-4m-1）的沥青混凝土心墙坝三维有限元静、动力心墙、坝体等应力、变形、抗震能力的变化规律。本文的主要研究成果有： (1)对不同坝体高度(50m、90m、130m、150m)的直心墙直坝进行有限元研究，研究坝高对心墙和坝体的影响。结果表明，随着坝高的增加，心墙与坝体上承受的压应力在逐渐增加，但坝肩处的拉应力也会增加。在地震过程中，其各方向加速度与位移均随着坝体高度的增加而增加。同时坝高对顺河向位移与加速度影响较大，竖向位移与加速度其次，对坝轴向位移与加速度影响最小。 (2)采用了不同心墙曲率的曲心墙直坝(6.7×10-5m-1、9.6×10-5m-1、1.1×10-4m-1)代替直心墙直坝。结果表明，曲心墙可以有效减小坝肩处的拉应力，且心墙曲率越大，拉应力越小，压应力有小幅度的增加。地震过程中，曲心墙比直心墙抵抗地震能力强，但曲率与抗震能力不是正比例关系，其中有限值，当心墙曲率取为限值时，其抵抗地震能力达到最强，心墙曲率大于或小于限值时，其抵抗地震能力有所减小。该限值在9.6×10-5m-1到1.1×10-4m-1之间。且心墙曲率对加速度影响较大，对动位移影响较小。 (3)通过分析不同坝体高度(90m、50m、130m、150m)的直心墙直坝与不同心墙曲率(6.7×10-5m-1、9.6×10-5m-1、1.1×10-4m-1)的曲心墙直坝坝坡在不同地震波峰值(0.38g、0.55g、0.7g、0.85g)作用下的最小安全系数时程曲线得到，大坝的极限抗震能力对应的峰值加速度为0.70g～0.85g，但不同坝体高度与不同心墙曲率有所不同，当高度越高或心墙曲率越小时，其极限峰值加速度越接近0.70g。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景意义

1.2 沥青混凝土心墙研究现状

1.3 传统沥青混凝土心墙坝研究现状

1.3.1 沥青混凝土心墙坝国外研究现状

1.3.2 沥青混凝土心墙坝国内研究现状

1.4 沥青混凝土心墙坝存在的问题

1.5 主要研究内容

2 材料物理力学性质与数值模拟原理

2.1 沥青混凝土的基本力学性能

2.1.1 沥青混凝土材料简介

2.1.2 沥青混凝土物理力学特性

2.1.3 沥青混凝土数值模拟本构模型

2.2 有限元静力分析原理与本构模型

2.2.1 有限元分析原理

2.2.2 本构模型基本原理

2.3 有限元动力分析原理与本构模型

2.3.1 有限元动力分析原理

2.3.2 本构模型基本原理

2.4 小结

3 某水电站沥青混凝土心墙坝静、动力分析

3.1 工程概况

3.2 三维有限元模型的建立

3.3 模型参数

3.4 沥青混凝土心墙坝静力计算结果与分析

3.4.1 应力分析

3.4.2 位移分析

3.5 沥青混凝土心墙坝动力计算结果与分析

3.5.1 地震响应时程曲线分析

3.5.2 加速度响应最大包络线分析

3.5.3 动位移响应的最大值包络线分析

3.6 坝坡极限抗震能力

3.6.1有限元模型

3.6.2 计算参数

3.6.3 坝坡稳定性计算结果

3.7 本章小结

4 坝体高度对坝体特性的影响

4.1 静力计算结果与分析

4.1.1 应力分析

4.1.2 位移分析

4.2 不同坝体高度应力与位移静力计算结果对比分析

4.2.1 应力对比分析

4.2.2 位移对比分析

4.3 沥青混凝土心墙坝动力计算结果与分析

4.3.1 地震响应时程曲线分析

4.3.2 加速度响应度最大包络线分析

4.3.3 动位移响应的最大值包络线分析

4.4 不同坝体高度动力作用下应力与位移对比分析

4.5 不同坝体高度坝坡极限抗震能力

4.6 本章小结

5 心墙曲率对坝体特性的影响

5.1 静力计算结果与分析

5.1.1 应力分析

5.1.2 位移分析

5.2 沥青混凝土心墙坝动力计算结果与分析

5.2.1 地震响应时程曲线分析

5.2.2 加速度响应度最大包络线分析

5.2.3 动位移响应的最大值包络线分析

5.3 不同心墙曲率曲心墙直坝对比分析

5.3.1 静力结果对比分析

5.3.2 动力结果对比分析

5.4 不同心墙曲率坝体坝坡极限抗震能力

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 不足与展望

致谢

参考文献