施工期坝面过水面板堆石坝渗流场与应力场的耦合分析

摘要

随着混凝土面板堆石坝筑坝技术的发展,混凝土面板堆石坝越建越高、工程规模越来越大,已成为现代面板堆石坝发展的基本趋势。在面板堆石坝的施工过程中,往往截流后坝基处理和坝体填筑工程量较大,造成汛期前不能将坝体填筑到拦洪高程,因此采用围堰和大坝坝面过水的度汛方案往往是可供选择的方案之一。对于采用坝面过水度汛方案的面板堆石坝,如何合理而准确地进行汛期及运行期大坝的渗流和应力变形分析,对于此类工程设计与施工具有重要意义。本文首先论述了面板堆石坝施工期导流度汛标准、导流方式及其选择。论述了坝面过水度汛的一般程序,并结合工程实例加以说明。其次,基于渗流场与温度场计算原理的相似性的对比分析,论证了在通用有限元程序ADINA中实现面板堆石坝渗流计算的可能性。基于非线性邓肯-张EB本构模型,通过在ADINA中应用单元生死功能、时间函数、时间步的联合设置来模拟了堆石坝分层填筑、汛期过水及汛后填筑过程。探讨了堆石坝渗流场与应力场相互作用的耦合机理,通过渗透系数与孔隙率之间的函数关系,建立了渗流场与应力场耦合分析的非线性数学模型。最后,基于上述研究成果,结合黄石滩面板堆石坝工程,分析了施工期坝面过水对大坝渗流场及应力场的影响规律及对汛后大坝填筑的应力场的影响规律。同时针对考虑堆石体渗流场与应力场耦合这两种情况,进行了大坝渗流场及应力场的二维有限元分析计算,获得了上述两种情况下大坝渗流场及应力场的分布与变化规律。本文所建立或提出的上述模型及方法,为施工期坝面过水面板堆石坝的渗流场、应力场及其耦合分析的计算方法进行了一些探索,所获得的分析计算成果对类似工程也具有重要的参考和应用价值。

目录

摘要

Abstract

1 研究背景及意义

1.1 混凝土面板堆石坝的发展现状与发展趋势

1.2 混凝土面板堆石坝施工导流度汛技术发展概况

1.3 面板堆石坝应力变形及渗流研究现状

1.3.1 面板堆石坝应力变形问题研究现状

1.3.2 面板堆石坝渗流特性研究现状

1.3.3 面板堆石坝渗流场与应力场耦合分析的研究现状

1.4 研究目的及意义

1.5 研究内容

2 施工期面板堆石坝导流与度汛

2.1 面板堆石坝施工导流的特点

2.2 面板堆石坝导流度汛标准

2.3 导流方式的选择

2.4 混凝土面板堆石坝施工期度汛

2.4.1 坝体临时断面挡水度汛

2.4.2 坝面过流度汛

2.4.3 两种度汛方式的比较

2.5 坝面过水工程实例

2.6 本章小结

3 面板堆石坝渗流分析的有限元法

3.1 渗流分析的基本理论

3.1.1 达西定律

3.1.2 连续性方程

3.1.3 渗流基本微分方程

3.1.4 渗流基本微分方程的定解条件

3.2 渗流有限元分析的基本原理

3.2.1 渗流分析方法简介

3.2.2 渗流有限元分析的基本原理

3.2.3 渗流自由面的求解方法

3.2.4 渗流有限元分析的基本步骤

3.3 基于ADINA的面板堆石坝渗流有限元分析

3.3.1 ADINA有限元软件介绍

3.3.2 ADINA-T模块计算渗流场的理论基础

3.3.3 在ADINA中实现面板坝渗流场有限元分析的基本步骤

3.4 算例

3.5 本章小结

4 面板堆石坝应力变形分析的有限元法

4.1 堆石体本构模型

4.1.1 非线性弹性模型

4.1.2 弹塑性模型

4.1.3 堆石体本构模型应用评价

4.2 混凝土面板本构模型

4.3 非线性问题的有限元分析法

4.4 坝体填筑、蓄水及汛期度汛过程的模拟

4.4.1 坝体填筑的模拟

4.4.2 蓄水过程的模拟

4.4.3 汛期度汛过程的模拟

4.4.4 特殊边界的模拟

4.5 本章小结

5 面板堆石坝渗流场与应力场的耦合分析方法

5.1 渗流场与应力场的相互影响

5.1.1 渗流场对应力场的影响机理

5.1.2 应力场对渗流场的影响机理

5.2 渗流场与应力场耦合分析的数学模型

5.3 双场耦合分析在GEO-STUDIO软件中的实现

5.3.1 GEO-STUDIO 2004简介

5.3.2 应力场与渗流场耦合分析在GEO-STUDIO中的实现

5.4 本章小结

6 应用实例

6.1 工程概况

6.2 施工期大坝渗流有限元分析

6.2.1 计算工况及计算参数

6.2.2 有限元模型

6.2.3 计算结果分析

6.3 施工期大坝应力变形有限元分析

6.3.1 计算工况及计算参数

6.3.2 计算模型及边界条件

6.3.3 计算结果分析

6.4 施工期坝体临时过水断面渗流场与应力场的耦合分析

6.4.1 计算模型及参数

6.4.2 计算结果及分析

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录