某混凝土面板堆石坝三维有限元应力变形分析.pdf

第 3 5卷第 6期 2 0 1 3年 6月 人民黄河 YE L L OW RI VER Vo 1 3 5 No 6 J u n， 2 01 3 【 水 利水 电工程 】 某混凝土面板堆石坝三维有限元应力变形分析 彭成山 ， 陈 曦 ， 黄露剑 ( 1 华北水利水电学院，河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ； 2 黄河上游水电开发有限责任公司 工程建设分公司， 青海 西宁 8 1 0 0 0 8 ) 摘要 ： 混凝土面板堆石坝 最重要 的组成 部分是堆石体 ， 堆石体的应力 变形程度是影响工程稳定和安全 的关键。对 某水 库面板堆石坝采用大型计算软件 A D I N A进行三维非线性有限元分析 ， 模拟计算了竣工期坝体的3个典型断面的应力变 形情况。结果表明， 坝体的应力、 位移分布规律较好， 变形值都在允许 范围内； 断层只对坝基的应力分布形态有影响， 对 坝体的应力 、 变形影响较小。 关键词：坝体；应力；变形；三维非线性有限元法；混凝土面板堆石坝 中图分类号 ：T 3 1 4 ； T V 6 4 1 4 3 文献 标志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 3 0 6 0 3 6 An a l y s i s o n S t r e s s a n d De f o I r ma t i o n o f Co n c r e t e F a c e Ro c k F i l l Da m wi t h T h r e e Di me n s i o n a l Fi ni t e El e me nt P E N G C h e n g s h a n ， C H E N X i ，H U A N G L u - j i a n 。 ( 1 N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a ； 2 E n g i n e e ri n g C o n s t r u c t i o n B r a n c h C o mp a n y o f Q i n g h a i ，H u a n g h e H y d rep o w e r D e v e l o p me n t C o L t d ， Xi n i n g 8 1 0 0 0 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e mo s t i mp o rt an t c o mp o n e n t o f c o n c r e t e f a c e r o c k f i I J d a m i s r o c k - l i l I b o d y ，an d t h e s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n d e g r e e o f roc k f i l J b o d y i s a ke y f a c t o r t o i n fl u e n c e e n g i n e e rin g s t a b i l i t y a n d s e c u rit y Ad o p t i n g t h e l a r g es c a l e c o mp u t a t i o n s o f t w a r e ADI NA，t hi s p a p e r s i mu l a t e d a n d c ale u l a t e d t h e s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n o f t h r e e t y p i c a l s e c t i o n s o f a c e r t a i n c o n c r e t e f a c e r o c k - f i l l d a m o f r e s e r v o i r i n i t s c o mp l e t i o n p e ri o d wi t h 3 D n o n l i n e a r fin i t e e l e me n t analy s i s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d i s t rib u t i o n rul e s o f s t r e s s a n d d i s p l a c e me n t o f t h e d a m b o d y a r e b e t t e r ，a n d t h e i r d e f o r ma t i o n v a l u e s are wi t h i n t h e a l l o we d r a n g e Th e f a u l t o n l y e f f e c t s o n t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n s h a p e o f d a m f o u n d a t io n，a nd e f f e c t s o n t h e s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n o f d a m b o d y s l i g htl y Ke y wo r d s ：d a m b o d y；s t r e s s ：d e f o r ma t i o n；3 D n o n l i n e a r f i n i t e e l e me n t me t h o d；c o n c ret e f a c e r o c k - 6l I d a m 混凝土面板堆石坝以薄面板防渗， 这种坝型近 2 0 a 来在适 应各种复杂地形和地质条件、 抗震性能、 施工质量控制与检测 技术等方面取得了很大的进展 J 。混凝土面板堆石坝最重要 的组成部分是堆石体 ， 其变形程度对坝体的稳定和安全有很大 影响。部分已建成的面板堆石坝因坝体变形和不均匀沉降而 引起的面板断裂 ， 导致大量渗漏， 影响坝体的正常运行。因 此， 大坝和面板的应力变形分析受到坝工界普遍重视， 成为对 该坝型研究的重点和难点。 1 工程概况 某水库集流面积为 1 0 3 6万 k m ， 多年平均径流量为4 0 6 8 万 m ， 正常蓄水位 1 0 6 3 0 m， 死水位 1 0 2 0 0 m， 调节库容 1 2 0 6 万 m。 ， 死库容 2 0 8万 m ， 总库容 1 5 1 8万 m 。大坝为钢 筋混凝土面板堆石坝， 坝顶高程 1 0 6 8 4 IT I ， 最大坝高 1 1 8 4 m， 坝顶长 4 2 1 0 m，坝轴线长 4 1 2 0 m。大坝典型断面及坝料分 区如 图 1 所示 。 一 钢 筮 揖 辇 j 扳 r j 区 叠 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 9 - 0 5 基金项 目： 水利部公 益性行 业科研 专项 ( 2 0 1 3 0 1 0 2 5 ) 。 作者简介： 彭成山( 1 9 5 7 一) ， 男， 河北磁县人， 教授， 研究方向为水工结构、 岩土 工程数值分析和结构模拟试验。 E m a i l ： 6 9 1 6 6 3 6 1 5 q q c o i n 1 0 7 人 民 黄 河2 0 1 3年第 6期 坝肩向左、 右岸各延伸 1 0 0 m左右， 模型底部至高程 8 0 0 m左 右。计算坐标系采用整体直角笛卡儿坐标系 ， 坐标轴为 X、 y 、 z， 原点 0位于地基模型最低点。顺水流方向为 轴， 指向 下游为正方向； 沿坝轴方向从右到左为 y 轴正方向； 竖直向上 为 z轴正方向。 2 1 2 模型材料参数的确定 根据该水库堆石料岩石( 体) 物理力学试验结果 ， A D I N A 分析软件中计算采用摩尔 一库仑( Mo h r C o u l o m b ) 模型 。该 工程区岩石( 体) 物理力学参数建议值见表2 。 表 1材料的物理力学参数 计算考虑的荷载为自重荷载和水荷载 。自重 ； 面板和趾 板混凝土容重取 2 5 k N m ； 静水压力： 水容重取 9 8 k N m 。 对基础部分自重引起的位移不计入总位移。 2 1 3 三 维 网格 的生成 计算网格节点总数 3 2 0 3 6个 、 单元总数 3 0 5 8 5个， 其中面 板单元 1 5 7个 、 基础单元 2 6 5 8 6个、 垫层单元 1 5 9个、 过渡层单 元 1 5 9个 、 主堆石区单元 2 3 4 6个、 下游堆石区单元 1 1 7 8个。 计算主要采用 8节点六面体的等参单元 j ， 也有一定数量的 6 节点三棱柱等参单元和 4节点四面体单元。 2 1 4边界条件的定义 在该水库面板堆石坝有限元模型中， 平行于坝轴线方向的 断面定义为水平约束( X= 0 ) ， 地基底面定义为竖向约束( Z= 0 ) ， 垂直于坝轴线方向的两端断面定义为垂直约束( Y= 0 ) ， 约 束节点总数 3 9 7 8个， 其余结构面为 自由边界。 2 2 坝体应力变形计算结果及分析 为清楚了解该水库面板堆石坝坝体的应力变形状态， 在计 算时选取了典型剖面进行研究。典型剖面( 如图2 ) 分别为： 纵 剖面 ( A 4 + 2 5 4 0 ) 、 纵剖面 ( A 4 +3 5 9 0 ) 、 纵剖面 ( A 4 + 6 4 3 0 ) 。经计算分析， 给出了坝体各典型剖面的大、 小主应力 等值分布图以及竖向位移和水平位移等值分布图。 X 2 2 1 竣工期应力变形计算结果 各典型剖面的应力、 变形计算结果见图 3图 1 4， 依次为 1 0 8 大主应力等值线、 小主应力等值线、 竖向位移等值线和水平位 移等值线。 图3 F1剖面大主应力等值线 ( 以拉应力为正 ， 单位 ： MP a ) 图4 Fl剖面小主应 力等值线 ( 以拉应力为正， 单位 ： MP a ) 图5 F 1 剖面竖向位移等值线 ( 单位： m ) 图 6 Fl 剖面水平位移等值线 ( 单位 ： m) 图7 F 2剖面大主应 力等值线 ( 以拉应力为正， 单位 ： MP a ) 图8 F 2 剖面小主应力等值线 ( 以拉应力为正， 单位： M P a ) 图9 F2剖面竖向位移等值线 ( 单位 ：m) 人 民 黄 河2 0 1 3年第 6期 图 l O 剖面水平位移等值线( 单位 ： I n ) Z 一一一一、 、： = ： = 二二二 竺= = 一一 二 = = = ：= = = ： 三三 三 三 三量 、_ 、一一一一一 图 l l 剖面 大主应 力等值线 ( 以拉应力为止 ， 位 ： MP a ) Z 图 1 2 剖面 小主应 力等值 线( 以拉应力为正 ， 单位 ： MP a ) Z 图 1 3 剖面竖 向位移等值线 ( 单位 ： m) Z 图 1 4 剖面水平位移等值 线 ( 单位 ： m) 2 2 2结果 分析 ( I ) 坝体应力。从坝体 3个典型横剖面看出， 大主应力分 布比较规律， 其中 剖面最大应力为 一0 5 3 3 MP a 、 F 2剖面最 大应力为 一 0 6 2 5 MP a 、 F 3 剖面最大应力为 一0 2 0 0 MP a ， 可见 坝体应力大小随填筑高度改变， 因右岸坝体填料远小于左岸， 故 剖面压应力小 于 F ， 剖 面压应力 。 小主应力分布从坝顶到坝底有规律地逐渐增加， 因竣工期 坝体应力为自重应力， 故坝段的应力大小随坝体填筑高度的升 降而增减 。F 剖面最大应力为 一 2 6 6 7 MP a 、 F 2 剖面最大应力 为一2 8 0 0 MP a 、 F 3 剖面最大应力为 一1 1 6 7 M P a ， 右岸压应力 小于左岸压应力。 F 。 、 F 3 剖面坝基处小主应力受断层 F 、 F 。 。 的 影响出现不规律分布。 ( 2 ) 坝体变形。由竖向位移分布图可知， 剖面最大沉降 在坝底主堆石区与下游堆石交接处， 最大沉降为2 0 0 e m； 剖面最大沉降在坝底主堆石区， 最大沉降为 2 2 0 e m； F 3 剖面 最大沉降在坝底 主堆石区与下游堆石交接处， 最 大沉 降为 3 2 4 0 c m。 由水平位移分布图可知， F 剖面上游主堆石区向下游变 形， 在坝体上游 1 2到 1 3坝高处 ， 上游 主堆石区向下游最大 移动 0 4 0 m m，下游堆石区向上游最大移动 2 8 0 m m， 上游变 形小于下游。 剖面坝体呈梯形断面， 上游坡度为 1 ： 1 4 ， 下 游坡度为 1 ： 1 3 5 ， 上、 下游坡度接近， 则水平位移分布沿坝轴线 基本对称。上游主堆石区向下游变形， 在坝体上游 1 2坝高 处， 上游主堆石区向下游最大移动 1 0 m m； 坝轴线下游堆石区 向上游变形， 在下游 1 2坝高处 ， 下游堆石区向上游最大移动 1 0 m m。F 3 剖面受地形走势的影响， 下游堆石区变形较小， 坝 体基本为上游变形， 上游主堆石区向下游最大移动 I 3 m m， 下 游堆石区没有向下游的位移变形。 3 结语 ( 1 )通过有限元分析法对混凝土面板堆石坝坝体进行应 力变形分析， 建立了三维模型， 解决了复杂地质条件下对混凝 土面板堆石坝进行全真模拟的难题。 ( 2 )3个典型断面三维有限元分析的结果表明， 大坝坝体 的应力、 位移分布规律较好 ， 变形值大小符合规范要求。 ( 3 ) 从计算结果来看 ， 断层只是对坝基的应力分布形态有 影响， 对坝体的应力 、 变形影响较小。 参考文献 ： I 张运花抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝三维有限元分析c D 大连： 大连 理工大学 ， 2 0 0 9 2 牟声远高混凝土面板堆石坝安全性研究 D 杨凌： 西北农林科技大学， 2 0 0 8 3 蔡新合混凝土面板堆石坝坝料分区优化及坝体变形特性三维有限元分析 D 西安： 西安理工大学， 2 0 0 7 4 关志诚 混凝土面板堆石坝筑坝技术与研究 M 北京： 中国水利水电出版 社 2 0 0 5 5 顾淦臣， 束一鸥， 沈长松 土石坝工程经验与创新 M 北京： 中国电力出版 社 。 2 0 0 4 6 刘小生， 王钟宁， 赵剑明， 等 面板堆石坝振动模型试验及动力分析研究 M 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 5 7 韩勃， 刘晓青 基于有限元的万家寨混凝土重力坝安全复核 J 人民黄河， 2 0 0 9， 3 1 ( 5) ： 1 1 61 1 7 【 责任编辑马广州】 1 0 9-