铅厂电站碾压混凝土重力坝粘弹性有限元分析.pdf

第4 I 卷 第 1 0期 2 0 1 0 年 5 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 ． 41． No ．1 0 Ma y， 2 01 0 文章编号 ： 1 0 0 1 — 4 1 7 9 ( 2 0 1 0) 1 0— 0 0 1 9— 0 5 铅厂电站碾压混凝土重力坝粘弹性有限元分析 黄 文 虎 ，陈 立 成2， 陈 建 康 ( 1 ． 四川大学 水利水 电学院， 四川 成都 6 1 0 0 6 5 ； 2 ． 四川 华电西溪河水电开发有 限公 司， 四川 西 昌6 1 5 0 0 0 ) 摘要： 碾压混凝土重力坝由于其筑坝技术的特殊性 坝身存在为数众多的水平施工层面， 坝体整体性被削弱， 产生明显的各向异性和粘弹性特征 ， 影响大坝的安全性。分别采用三维线弹性有限元、 弹塑性有限元和粘弹 性 有限元法 ， 对铅厂 电站 碾压混凝土重 力坝典 型坝段 的静 力特性和运行期坝体 粘弹性特征进 行分析 。3种 不 同的有限元分析结果表明， 粘弹性分析的应力数值 同线弹性分析结果较为相近， 较弹塑性结果稍大； 位移较线 弹性及 弹塑性分析 的结果更 大， 同时 ， 粘弹性导致后 期 变形 。因此 ， 这种 由于坝体材料 粘弹性特性 引起 的位移 持 续增长的现 象应该得到足 够的重视 。 关键词： 粘弹性 ； 线弹性弹塑性；有限元； 碾压混凝土重力坝 中图法分类号 ： X 8 2 4 文献标志码 ： A 自 1 9 8 1年 3月 13本建成了世界上第一座碾压混 凝土重力坝——坝 高 8 9 m 的岛地川 坝 ( R C D) 以来 ， 碾压混凝土筑坝技术正 以不可 阻挡之势迅猛发展 ， 它 突破了传统混凝土坝浇筑方 法对大坝浇筑速度 的限 制 ， 具 有工 期 短 、 造 价 低 、 工 艺简 化 、 施 工 快速 等 优 点 ， 因此被工程界所推崇 。然而 由于其筑坝技术 的特殊性 ， 经过通仓薄层逐层碾压后 ， 这些层面的结构 特性受到材料性质 、 施工机械性能 、 施工现场气候条件 和施工管理水平等诸多 因素 的制约和影响 ， 坝身存在 为数众多的水平施工层面 ， 故 其工作性态和常态混凝 土重力坝有明显的区别。 目前 ， 碾压混凝土重力坝的数值模拟大都沿用常 态混凝土重力坝的分析方法 ， 将坝体作为一个连续整 体进行模拟分析 。实践证 明， 由于碾压混凝土坝施工 层面的存在 ， 使得坝体产生明显的各 向异性和粘弹性 特征 ， 对碾压混凝土作为连续 整体进行分析 的方法无 法反映层面影响带的存在对坝体应力 、 稳定及渗流的 影响 ， 也就无法真实地模 拟碾 压混凝土重力坝 的工作 状态 。 为了真实地模拟碾压混凝土坝体的各向异性和碾 压混凝 土材料的粘弹性特征 ， 国内很 多学者做 了大量 深入的研究 。 。 。一种观点认 为， 碾压混凝土坝 由于 层面的存在而产生的各向异性可以通过将坝体参数概 化到整个坝体来进行模 拟分 析， 也就是视坝体整体 为 各 向同性体。彭友文等人基于实测资料 ， 结合有限元 计算 ， 反演坝体横向和竖 向弹性模量 ， 然后利用变形等 效假定建立横向和竖向弹性模量正分析模型及反演结 果 ， 进而推求出层面弹模和厚度 ， 为客观模拟层面影响 提供了科学依据。顾冲时等人又进一步引入粘弹性串 并联理论 ， 利用碾压混凝土徐变试验资料及大坝实测 资料反演出层面影 响带 的粘弹性力学参数 。然而， 上 述研究多数是以理论研究为重点 。本文结合云南铅厂 电站碾压混凝土重力坝静 、 动力特性研究课题 ， 分别采 用三维线弹性有 限元 、 弹塑性有限元 和粘 弹性有限元 法， 对铅厂 R C C重力坝典型坝段的静动力特性 和运行 期坝体粘弹性特征进行分析。粘弹性本构模型选用 3 收稿 日期 ： 2 0 0 9—1 0—1 6 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 0一 O l 一 2 9 作者简介： 黄文虎， 男， 硕士研究生， 主要从事水工结构方面的研究。E—m a i l ： h u a n g w e n h u 2 1 9 0 @1 2 6 ． c o i n 通讯作者 ： 陈建康， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事水工结构、 基础工程方面的研究。 2 0 人 民 长 江 参量固体模型来描述碾压混凝土坝坝体材料 的粘弹性 特征， 然后建立三维粘弹性有限元模型 ， 进行三维静力 特性以及后期粘弹性特征分析 。在此基础上， 通过与 三维线弹性和弹塑性有 限元法计算成果 的比较和分 析 ， 可以看出， 考虑粘弹性的有限元分析成果具有重要 工程价值。 1 工程实例 1 ． 1 工程概况 铅厂水电站位于昆明市禄劝县 以北偏东面的普渡 河下游峡谷河段， 坝址位 于普渡河三江 口水文站上 游 约 1 ． 4 k m， 控制面积 9 5 2 3 k m 。电站的开发任务是 水力发电， 拦河 大坝最 大坝 高 8 0 ． 6 m， 正 常蓄 水位 1 2 3 0 m， 校核 洪水 位 l 2 3 2 ． 0 9 m， 总 库 容 2 2 8 4 ． 2 万 m ， 电站装机容量 1 1 4 MW， 保证 出力 1 9 ． 2 2 MW， 多 年平均发电量 5 ． 0 2亿 k W h ， 年利用小时 d 4 0 6 h 。 作为挡水建筑物的碾压混凝土重力坝 ， 由左岸挡水坝 段 、 电站取水 口坝段 、 溢流表孔坝段 、 冲沙孔坝段及右 岸挡水坝段组成 ( 其中右岸挡水坝段 、 电站取水 口坝 段为折线坝段 ) 工程 区地震基本烈度为Ⅷ度 ， 电站 地震动峰值加速度为0 ． 2 0 g， 反应谱特征周期 0 ． 4 5 s 。 1 ． 2 粘弹性有限元模型 根据铅厂电站碾压混凝土重力坝的特点 ， 采用工 程 中常用的粘弹性模型——三参量固体模型， 其蠕变 函数 ．，( ￡ )和松弛函数 Y( t )如下 ： 1 1 El J ( t )= +( 1一e - ) ( 1 ) 1 5 2 l ， y ( f )=E 2 [ 1一 ( 1一e 一 ) ]( 2 ) 三参数固体模型 ( 3 ) 式中， 为瞬态模量 ； 为相对模量 ； r 为松驰时间。 1 ． 3 有 限元建模 根据铅厂碾压混凝土重力坝的实际情况 ， 模型中 坝体本体层厚取 1 ． 5 13 1 ， 层间影响带厚 0 ． 0 3 m， 模拟水 平层面和本体层 ， 以此充分体现碾压混凝土坝体材料 的各 向异性特征。图 1 为溢流坝段三维有限元计算网 格图， 模型向上游延伸 1 0 0 1 1 "1 ( 1 ． 1 5倍最大坝高) ， 向 下游延伸 4 0 0 1 3 1 ( 4 ． 5倍最大坝高) ， 深度取 1 5 2 I l l ( 约 2倍最大坝高) 。单元类型为 8节点等参元单元 ， 单元 数为 1 8 0 1 8个 ， 节点数为 5 9 5 5 0个。 图 1 溢 流 坝 段 有 限 兀 网格 1 ． 4 基准参数 地基岩体的本构模型采用 D r u c k e r —P r a g e r 模型 ， 根据铅厂水电站混凝土材料统计及地勘分析 ， 坝体混 凝土及地基岩体物理力学参数建议值见表 1 。其 中， 线弹性计算参数不含粘聚力 和内摩擦角 ； 弹塑性有限 元分析中采用 D r u c k e r — P r a g e r 屈服准则。 表 1 铅厂水电站碾压混凝土重 力坝有 限元分析参数 粘弹性有限元计算 中， 地基参数 同线弹性地基计 算参数 ， 碾压混凝土坝体 的本体和层间影响带考虑为 粘弹性材料， 采用三参数标准线性 固体模型来模拟碾 压混凝土材料的粘弹性性质。本体和层问影响带参数 见表 2 。 表 2 碾压混凝土坝体粘弹性参数 为方便参数在有限元计算软件 A N S Y S中输入， 粘 弹性模型参数的 P l o n y级数形式见表 3 。 +_ 姗 L ～ ～一 一 性lI． = = 第 1 0期 黄文虎， 等： 铅厂 电站碾压混凝土 重力坝粘弹性有 限元分析 21 2 粘弹性特征分析 2 ． 1 应 力分析 比较粘弹性 、 线弹性 和弹塑性有 限元计算 的应力 成果可以发现 ， 由于未考虑时间因素 ， 坝体的粘弹性未 有体现 ， 3种有限元计算的应力分布规律大体一致 ； 从 数值上看 ， 由于粘弹性材料具有瞬时弹性 ， 所 以应力场 数值大小接近线弹性结果 ， 较弹塑性结果 略大。溢流 坝段 3种工况下 坝体特征应 力详细成果见表 4 ； 溢流 坝段粘弹性有 限元法 的第 1 、 第 3主应 力等值线 图见 图 2— 5 表 3 P l o n y级数形式的粘弹性参数 表 4 溢流 坝段 3种 有限元法的特征应力成果 ( 压为正 ， 拉 为负 ) M P a 图 2 溢流坝段正常蓄水位 。 等值 线( 单位： M P a ) 2 ． 2位移分析 溢流坝段在正常 、 校核两种工况下 ， 坝体受到上游 水压力及坝基渗透压力的共同作用 ， 坝体整体向下游 变位 相对于施工完建工况 ， 坝体水平 向变位量增幅明 显 ， 而铅直 向变位整体下沉。纵观溢流坝段各工况下 的位移场发现 ， 不管是水平位移还是铅直位移 ， 粘弹性 成果都较线弹性及弹塑性 的结果更大 ， 这是 由于层间 影响带对整个坝体的分割， 导致大坝中存在许多薄弱 面， 在 同样的荷载作用下产生的变位 明显增大。在 3 种不同有限元计算分析 中， 溢流坝段 3种工况下相对 位移详细成果见表 5 。 图 3溢流坝段正常蓄水位 f ， 等值线 ( 单位： M P a ) 图 4 溢流坝段校核工况 ． 等值线 ( 单位： M P a ) 2 ． 3运行 期坝体粘弹性特征 为了表征碾压混凝 土重力坝运 行期 的粘弹性 特 征 ， 选 取溢 流坝 段坝 顶 、 坝踵 及坝 趾 3个 特 征 区域 。从 铅厂碾压混凝土重力坝溢流坝段坝体正常运行的第 1 天进行模拟运算 ， 一直计算到第 4 0 0 0天 ， 以期模拟铅 厂碾压混凝土重力坝坝体应力应变及变形特征的全过 程 。 根据有限元模拟结果 ， 坝顶位移 的后期顺河向增 长幅度达到 8 ． 5 7 m m， 是初始值的 6 6 ． 0 2 ％ ， 铅直位移 2 2 人 民 长 江 2 01 0年 增长幅度为 6 ． 1 4 lI l r n ， 达初始值 的 7 1 ． 5 6 ％。在两年 多时间内就完成几乎全部变位， 达到稳定 ， 坝顶稳定后 的位移尚可接受 ， 但这种坝体材料粘弹性 特性引起 的 位移持续增长的现象应该得到足够的重视 ； 应变增长 和应力松弛过程同时存 在， 坝踵 的应力松 弛幅度约为 1 0 ％ ～ 3 0 ％ ， 在一年多时间内达到稳定 ， 坝趾应力松弛 幅度约 2 0 ％ 一 4 0 ％ ， 在两年后基本稳定 ， 大小主应变 增长幅度较大， 可达约 5 0 ％ ～7 0 ％， 应变约在两年后 达到稳定 。3个特征区域的位移 、 应 力、 应变的粘弹性 特征见表 6 ， 稳定状态位移等值线见图 6和图 7 。 图5溢流坝段校核工况 r 等值 线( 单位： M P a ) 表 5 溢流坝段 3种有限元法的相对位移成果 11 1 1 1 1 2 ． 4 粘弹性参数影响分析 通过对参数瞬态模量 E 。、 相对模量 和松弛时间 丁的影响分析表明， 坝体应力和变形初 始值 的大小只 是由瞬态弹模决定的， 且瞬态弹模和坝顶最终 的位移 初始值呈反方向变化 ， 与坝踵 主拉应力和主压应力初 始值均呈正比例方 向变化 ； 其他参数的变化 ， 并不会造 成初始值的变化 ， 松弛时间直接决定着稳定所需 的时 间 ， 松弛时间越长 ， 稳定所需的时间就越 长； 相对模 量 决定着最终位移及应力值的变幅大小， 和位移呈正比 例变化 ， 和应力呈反比例变化。参数变化对坝趾 2 3号 特征节点主压应力的影响见表 7 。 表 6 溢流坝 段特征节点位移 、 应 力、应变变化 注： 表 中位移单位为 mm， 应 力单位为 MP a ， 应变为 l 0～。 图 6 稳定状态竖向位移等值线 图 7 稳定状态顺河向位移等值线 表 7 参数变化对坝趾 2 3号节点主压应力的影响 黼 辫 黯嚣 ～ 第 l O期 黄文虎 ， 等： 铅厂 电站碾压 混凝 土重力坝粘弹性有 限元分析 2 3 3 结 语 ( 1 )有别 于以往碾 压混凝土重力 坝坝体整体 建 模 ， 本文通过将碾压坝体划分 成本体层和层间影响带 的方式充分模拟 了碾压混凝土重力坝的实际层状结构 特点和各项异性特征 ， 这为后期 的数值模拟计算提供 了真实的模型初始条件。 ( 2 )三维粘弹性有 限元分析结果 表明， 粘弹性 材 料的瞬时弹性使得应力数值 同线弹性分析结果较为相 近 ， 较弹塑性结果稍大 ； 变形不管是水平位移还是铅直 位移 ， 都较线弹性及弹塑性分析的结果更大 ， 这是 由于 层问影响带对整个坝体的分 割， 导致大坝存在许许多 多的薄弱面， 在同样 的荷载作用 下产生 的变位 明显增 大 。 ( 3 )在运行后 的 2 a时间内， 坝顶水平位移继续 增长的幅度达到初始值 的 6 6 ． 0 2 ％， 铅直位移 的继续 增长为初始值 的 7 1 ． 5 6 ％。应变增长和应力松弛同时 存在。本文在粘弹性有限元分析中由于地基弹性模量 参数选取偏低 ， 使得地基位移增大 ， 最终导致坝体位移 数值偏大， 但这不影响坝体材料 的粘弹性引起的位移 变化规律。总之 ， 粘弹性材料模拟层状的碾压混凝 土 结构产生的位移本就 比线弹性及弹塑性模拟的结果有 所偏大 ， 加之考虑到粘弹性的后期变形 ， 因此这种 由于 坝体材料粘弹性特性引起的位移持续增长的现象应该 得到足够的重视 。 参考文献 ： [ 1 ] 方坤河． 碾压混凝土材料 、 结构与性 能[ M] ． 武汉 ： 武 汉大学 出版 社 ． 2 0 0 4 ． [ 2] 姜福田． 碾压混凝 土[ M] ． 北京： 中国铁道 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 3] 顾 冲时 ， 雷鹏 ， 李云， 等． 碾压 混凝土坝 三维粘 弹性 分析模型研 究 [ J ] 岩土工程学报 ， 2 0 0 7 ， ( 8 ) ： 1 1 7 3—1 1 7 7 ． [ 4 J 朱国金． 碾压 混凝 土坝计 算参数 反演分析 f D] 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：The r e a r e a l a r g e nu mb e r o f h o r i z o n t a l c o n s t r uc t i o n i n t e r f a c e s i n t he RCC da r n b o dy b e c a u s e o f i t s s pe ci a l c o n s t r u c — t i o n t e c h n ol o g y，wh i c h ma y g e n e r a t e s i g ni fic a n t a n i s o t r o p y a n d vi s c o e l a s t i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d t he i n t e g r i t y o f d a m i s we a ke ne d， a f f e c t i n g t he da m s afe t y ．3一D l i ne a r e l a s t i c fin i t e e l e me nt ，e l a s t i c—pl a s t i c fini t e e l e me n t me t ho d a n d v i s c o e l a s t i c fini t e e l e me n t m e t h o d a r e u s e d i n a n a l y z i n g t h e s t a t i c a n d v i s c o e l a s t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e Q i a n c h a n g R C C g r a v i t y d a m i n Y u n n a n P r o v i n c e i n i t s o p e r a t i o n p e r i o d．Th e r e s u l t s s h o w t ha t t he s t r e s s v a l u e s a n a l y z e d by v i s c o e l a s t i c a r e s i mi l a r wi t h t ho s e b y l i n e a r e l a s t i c i t y，a nd a r e s l i g h t l y l a r g e r t h a n t h o s e b y e l a s t i c—p l a s t i c；t h e d i s p l a c e me n t b y v i s c o e l a s t i c a n a l y s i s i s l a r g e r t h a n t h o s e b y l i n e a r e l a s t i c a — na l y s i s a nd e l a s t i c—p l a s t i c a n a l y s i s ． Mo r e o v e r ，c o n s i de r i n g t h e de f o r ma t i o n i n l a t e r pe r i o d du e t o v i s c o e l a s t i c pr o p e r t i e s o f d a m ma t e r i a l s ，t h e ph e n o me n o n o f l a t e r s us t a i n e d d i s p l a c e me nt g r o wi n g s h o u l d be pa i d a t t e n t i o n t o． Ke y wo r ds： v i s c o e l a s t i c；l i n e a r e l a s t i c；e l a s t i c—p l a s t i c；fini t e e l e me n t me t h o d；RCC g r a v i t y da n a