河谷形状变化对面板堆石坝应力变形特性的影响分析

摘要

混凝土面板堆石坝(Concrete-FacedRockfillDam)是以堆石体为主要支撑结构，并在其上游面设置混凝土面板作为防渗主体的一种土石坝。由于其施工简单、造价便宜、对地形地质条件具有较强地适应性，成为目前坝工建设最富竞争力和最具发展前景的坝型之一。在面板堆石坝中，坝体的应力变形是关系到大坝能否安全运行的一个重要方面。然而，在面板堆石坝的具体工程中影响坝体应力变形的因素较多，如坝址处的河谷形状、深厚覆盖层、坝体的结构分区以及施工碾压标准等。在这些影响应力变形的诸因素中，坝址处河谷形状对坝体和面板的应力变形的影响是一个值得研究的课题，而且这方面细致研究的相关资料也较少。因而，本论文试图通过此次的研究分析为以后具体工程中不同河谷形状下面板堆石坝的设计、施工提供理论上地参考，具有重要的科研价值和工程实际意义。
　　 本论文的研究内容主要分为两部分:
　　 第一部分:研究河谷形状（坝顶长与最大坝高之比>变化对坝体及面板的影响。利用大型商业软件ANSYS强大的前处理功能建立典型河谷形状下混凝土面板堆石坝计算的三维有限元模型:宽阔河谷(U型)、窄陡河谷（V型）、非对称河谷，以非线性有限元计算的基本理论为依托，利用EFES3D面板堆石坝计算程序分析典型河谷形状下坝体和面板在竣工期和蓄水期的应力变形特性，研究发现河谷形状的改变对坝体和面板的应力场与位移场的变化有着显著地影响，不同的河谷形状其坝体和面板的应力场与变形场有着自己独特地分布特性。尤其是在窄陡河谷（V型）中，坝体沿坝轴线方向的应力场分布具有明显的“拱”效应特点。基于这种特点，深入地分析了窄陡河谷（V型）中坝体上下游坡率地改变对坝体和面板的应力场与位移场地影响，根据研究所得的结论建议在窄陡河谷中在保证上下游坝坡稳定地前提下，可以尽可能地提高坝体的上下游坝坡，这样不但可以降低工程造价而且可以缩短施工期，以达到降低工程造价的目的。
　　 第二部分:通过构建具有特定地形特征的方法深入地分析了高陡边坡坡率与河谷宽度这两种计算方案地改变对面板堆石坝坝体和面板在竣工期和蓄水期的应力变形的影响。研究发现当河谷宽度固定高陡边坡坡率的变化对坝体和面板的应力变形影响较小;当两侧边坡固定河谷宽度地变化对坝体和面板的应力变形影响较大，但是当河谷形状参数达到3时，河谷宽度的变化对面板的应力变形的影响趋势在逐渐减弱。总而言之，当河谷宽度较大两侧岸坡较缓时坝体的变形较大但面板的应力较小;而当河谷宽度较小两侧岸坡较陡时坝体的变形较小但面板的应力较大。

目录

声明

摘要

1 绪论

1.1 混凝土面板堆石坝的发展历程与特点

1.2 混凝土面板堆石坝的国内外发展概况

1.2.1 国外面板堆石坝的发展概况

1.2.2 国内面板堆石坝的发展概况

1.3 混凝土面板堆石坝的研究现状

1.4 本文研究的意义及内容

1.4.1 研究的意义

1.4.2 论文内容

2 面板堆石坝数值分析的本构模型理论

2.1 概述

2.2 堆石材料的工程特性

2.2.1 堆石材料的级配特性

2.2.2 堆石材料的压缩变形特性

2.2.3 堆石材料的渗流特性

2.2.4 堆石材料的抗剪特性

2.3 堆石材料的本构模型

2.3.1 非线性弹性模型

2.3.2 弹塑性模型

2.3.3 堆石材料的本构模型的评价

2.4 接触面的计算模型

2.4.1 接触面的本构模型

2.4.2 接触面的单元类型

2.5 面板接缝的计算模型

2.6 本章小结

3 面板堆石坝有限元计算的基本理论

3.1 概述

3.2 三维有限元分析的基本原理与过程

3.2.1 有限单元法

3.2.2 实体单元的数学力学分析

3.2.3 非线性方程的求解

3.2.4 有限元分析的基本过程

3.3 本章小结

4 典型河谷形状下面板堆石坝三维有限元非线性分析

4.1 概述

4.2 典型河谷形状的数值分析过程

4.2.1 有限元模型的建立与参数的选取

4.2.2 荷载的施加方法及有限元计算程序

4.3 典型河谷形状下面板堆石坝的计算结果分析

4.3.1 宽阔河谷地形条件下面板堆石坝的应力变形分析

4.3.2 窄陡河谷地形条件下面板堆石坝的应力变形分析

4.3.3 非对称河谷地形条件下面板堆石坝的应力变形分析

4.3.4 典型河谷形状下面板堆石坝计算结果对比分析

4.4 上下游坝坡改变对窄陡河谷中面板堆石坝的应力变形影响分析

4.4.1 上下游坡率为1.6时坝体和面板的应力变形分析

4.4.2 上下游坡率为1.4时坝体和面板的应力变形分析

4.4.3 上下游坡率变化对窄陡河谷面板堆石坝应力变形影响结果分析

4.5 本章小结

5 高陡边坡及河谷宽度对面板堆石坝应力变形的影响分析

5.1 有限元模型的建立与参数的选取

5.2 高陡边坡对坝体面板应力变形的影响分析

5.2.1 高陡边坡对坝体应力变形的影响分析

5.2.2 高陡边坡对面板应力变形的影响分析

5.3 河谷宽度对坝体应力变形的影响分析

5.3.1 河谷宽度对坝体应力变形的影响分析

5.3.2 河谷宽度对面板应力变形的影响分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录