河谷形状的量化描述及其对面板堆石坝变形特性的影响研究

摘要

修建在陡窄河谷中的面板堆石坝在运行中会出现一些特殊的变形问题，如面板垂直缝的挤压破坏，周边缝的错动、张拉、沉陷变形破坏。这些在实际工程中存在的问题，说明了河谷形状对面板堆石坝的受力变形会产生影响。但由于影响大坝堆石体变形特性的因素多种多样，河谷形状对面板坝的影响难以得到直观的量化显示。考虑到有限元法具有分离量化显示单一因素对大坝的影响的优势，因此本文采用有限元法研究河谷形状对面板坝应力变形的影响。
　　在研究河谷形状对面板坝受力变形的影响之前，先给出了河谷形状的量化定义，以便于后续的研究。从大坝填土能否形成平面应变条件、填土的摩擦角与坡角的对比关系、河谷的对称系数角度出发，给出了河谷形状的量化定义。
　　接着对本文河谷形状的量化定义进行了有限元验证计算。计算结果表明:窄河谷下，大坝中出现了应力拱效应，宽河谷下，大坝中没有出现应力拱效应;陡河谷边坡下，堆石会沿着两岸山体和堆石之间的交界面产生相对滑移，缓河谷边坡下，会在堆石内部产生第二滑动面;河谷对称，大坝的应力变形规律良好，河谷非对称，大坝的应力变形规律不对称。河谷宽窄、河谷边坡陡缓、河谷对称性的量化定义是合理的。
　　然后研究了河谷形状量化定义对面板坝应力变形的影响。通过对不同河谷形状下大坝计算结果的分析和对比，量化显示了河谷形状对面板坝的应力变形的影响。通过河谷宽度、河谷边坡、河谷对称性与大坝应力、位移的关系曲线，得出窄河谷对面板坝应力变形的影响较大，宽河谷对面板坝应力变形的影响较小;陡边坡河谷对面板坝应力变形的影响较大，缓边坡河谷对面板坝应力变形的影响较小;非对称河谷对面板坝应力变形的影响较大，对称河谷对面板坝应力变形的影响较小的结论。
　　最后将其应用于某混凝土面板坝的受力及稳定性分析，验证了研究成果的合理性与有效性。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1．面板堆石坝的发展历程

1．2．近代面板堆石坝与早期面板堆石坝的区别

1．3．面板堆石坝的研究发展现状

1．3．1．面板堆石坝筑坝材料研究

1．3．2．面板堆石坝分区研究

1．3．3．面板堆石坝防渗体系的研究

1．3．4．面板堆石坝应力变形分析研究

1．4．面板堆石坝的发展趋势

1．5．本文的主要研究工作

2．有限元法及其基本方程

2．1．有限元法简介

2．2．有限元分析的基本方程

2．3．三维六面体等参数单元数学模型

3．河谷形状量化定义的提出与描述

3．1．概述

3．2．问题的提出

3．2．1．复杂河谷地区面板坝的运行现状

3．2．2．河谷形状量化定义的提出

3．3．河谷形状定义的量化描述

3．3．1．河谷宽窄的量化描述

3．3．2．河谷边坡陡缓的量化描述

3．3．3．河谷对称性的量化描述

3．4．本章小结

4．河谷形状量化定义对大坝轴线变形影响的有限元验证

4．1．概述

4．2．有限元计算模型与验证方案

4．2．1．计算模型的建立

4．2．2．单元网格划分

4．2．3．计算模型参数

4．2．4．荷载施加、约束条件

4．2．5．有限元验证方案

4．3．河谷宽度量化定义的有限元验证

4．4．河谷边坡量化定义的有限元验证

4．5．河谷对称性量化定义的有限元验证

4．6．本章小结

5．河谷形状对面板坝应力变形的影响

5．1．概述

5．2．研究方法及方案

5．2．1．有限元研究方法

5．2．2．研究方案

5．3．河谷宽度对大坝应力变形的影响

5．3．1．河谷宽度对大坝沉降的影响

5．3．2．河床宽度对大坝轴线位移的影响

5．3．3．河床宽度对大坝水平位移的影响

5．3．4．河床宽度对面板挠度的影响

5．3．5．河床宽度对大坝大主应力的影响

5．3．6．河床宽度对大坝小主应力的影响

5．4．河谷边坡对大坝应力变形的影响

5．4．1．河谷边坡对大坝沉降的影响

5．4．2．河谷边坡对大坝轴向位移的影响

5．4．3．河谷边坡对大坝水平位移的影响

5．4．4．河谷边坡对大坝面板挠度的影响

5．4．5．河谷边坡对大坝大主应力的影响

5．4．6．河谷边坡对大坝小主应力的影响

5．5．河谷对称性对大坝应力变形的影响

5．6．本章小结

6．工程实例——修建在陡窄非对称河谷中的九龙河水电站面板堆石坝三维非线性有限元分析

6．1．工程概况

6．2．非线性有限元分析本构模型

6．3．计算条件与计算过程

6．3．1．计算区域与坐标的选取

6．3．2．接触面设置与单元网格划分

6．3．3．计算用材料参数

6．3．4．约束条件与载荷的施加方法

6．4．陡窄非对称河谷对堆石应力变形的影响分析

6．4．1．对堆石位移的影响分析

6．4．2．对堆石应力的影响分析

6．5．陡窄非对称河谷对防渗系统的影响分析

6．5．1．对面板应力变形的影响分析

6．5．2．对垂直缝和周边缝变形的影响分析

6．6．本章小结

7．结论与展望

7．1．主要的研究内容

7．2．得出的结论

7．3．不足与展望

致谢

参考文献

附录