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

论文摘要

混凝土面板堆石坝是水工结构中重要坝型之一,且在近三十年来发展迅速,但该坝型的设计经验阶段,还无成熟的设计理论。为了提高设计水平,节省材料,减小投资,优化设计方案,本文针对Bakun水电站混凝土面板堆石坝筑坝材料分区优化问题以及施工期、运行期的沉降变形进行了研究,得到一些对设计和施工有益的结论。论文开展了以下几个方面的研究工作:论文针对Bakun水电站混凝土面板堆石坝原设计分区,根据坝内3B料和3C料的不同组合,采用Duncan E-B模型,进行了6个方案的计算比较。对于主堆石3B区的筑坝材料,采用DuncanE-B模型及南水双屈服面模型进行了两种填筑方案的计算比较。对大坝材料分区及筑坝材料力学性能选取的合理性进行了论证,并提出了建议。混凝土面板堆石坝研究的核心问题是坝体沉陷变形、坝体和坝周缝变形引起的面板断裂以及周边缝止水失效等。堆石是面板堆石坝结构的主体,其变形性态的合理性决定了对整个结构变形性态的可靠性。本文针对Bakun水电站混凝土面板堆石坝原设计方案,分别采用非线性弹性E—B模型、双屈服面弹塑性模型以及考虑流变特性的E—B模型,进行了三维非线性弹性静力有限元分析,三维弹塑性有限元分析和三维非线性流变有限元分析。三维有限元数值分析时,考虑了施工期及完建蓄水后堆石料的流变性,堆石料任意时刻的变形由瞬时变形与随时间变化的流变变形组成。通过以上三种有限元数值分析,得到了Bakun水电站混凝土面板堆石坝施工期、竣工期以及运行期的沉降变形、侧向变形、流变变形,得到了大坝面板的挠曲变形,面板垂直缝、周边缝的沉降差、剪切位移和滑动位移,总结了大坝的沉降变形规律。研究了大坝施工期和竣工期的受力规律,探讨了大坝运行期内力调整规律。并对大坝的稳定性和设计合理性进行了论证,对大坝设计方案提出了有益的建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 概述
• 1.1 混凝土面板堆石坝发展和研究现状
• 1.1.1 混凝土面板堆石坝的发展历史
• 1.1.2 混凝土面板堆石坝的发展现状
• 1.2 混凝土面板堆石坝沉降变形研究的问题和现状
• 1.2.1 混凝土面板堆石坝沉降变形研究的问题
• 1.2.2 混凝土面板堆石坝沉降变形的研究现状
• 1.3 混凝土面板堆石坝中堆石料的研究
• 1.4 BAKUN 水电站混凝土面板堆石坝的工程概况
• 1.5 本文研究的目的及意义
• 2 BAKUN 水电站混凝土面板堆石坝坝料分区优化研究
• 2.1 方案描述
• 2.2 施工工序及网格剖分
• 2.3 计算结果分析
• 2.3.1 方案A 计算结果
• 2.3.2 方案B 计算结果
• 2.3.3 方案C 计算结果
• 2.3.4 方案D 计算结果
• 2.3.5 方案E 计算结果
• 2.3.6 方案F 计算结果
• 2.3.7 方案G 计算结果
• 2.3.8 方案H 计算结果
• 2.3.9 小结
• 2.4 坝体静动力特性研究
• 2.4.1 DUNCAN E-B 模型计算结果
• 2.4.2 双屈服面模型计算结果
• 3 坝体三维有限元计算原理和方法
• 3.1 静力计算材料的本构模型
• 3.1.1 堆石料本构模型
• 3.1.2 接触面本构模型
• 3.1.3 接缝单元本构模型
• 3.1.4 混凝土材料本构模型
• 3.2 单元的数学力学分析
• 3.2.1 实体单元数学力学分析
• 3.2.2 接触面单元数学力学分析
• 3.2.3 接缝连接单元数学力学分析
• 3.3 结构静力平衡方程及求解方法
• 3.3.1 静力平衡方程
• 3.3.2 荷载分级与中点增量法
• 3.3.3 流变分析
• 4 坝体三维非线性弹性分析
• 4.1 三维非线性有限元计算条件
• 4.1.1 计算范围及单元的剖分
• 4.1.2 材料模型及参数
• 4.1.3 荷载分级
• 4.2 三维非线性弹性有限元计算成果及分析
• 4.2.1 堆石体的变形、应力和应力水平
• 4.2.2 混凝土面板的变形和应力
• 4.2.3 接缝的变形
• 4.2.4 右岸混凝土挡墙与防浪墙的变形和应力
• 4.3 筑坝材料模型参数与坝体变形应力的敏感性分析
• 5 坝体三维弹塑性分析
• 5.1 三维弹塑性有限元计算条件
• 5.2 三维弹塑性有限元计算成果分析
• 5.2.1 堆石体的位移、应力和应力水平
• 5.2.2 混凝土面板的变形和应力
• 5.2.3 混凝土连接缝的位移
• 5.2.4 右岸混凝土挡墙与防浪墙的变形与应力
• 6. 坝体三维非线性流变分析
• 6.1 三维流变有限元计算条件
• 6.1.1 三维流变有限元计算模型与参数
• 6.1.2 计算加荷分级及时间进度安排
• 6.2 三维非线性流变计算成果分析
• 6.2.1 坝体的位移、应力和应力水平
• 6.2.2 混凝土面板的位移和应力
• 6.2.3 连接缝的位移
• 6.2.4 右岸混凝土挡墙与防浪墙的变形和应力
• 7 总结与展望
• 7.1 坝料试验的结果和建议
• 7.2 三维非线性弹性有限元分析结果
• 7.3 三维弹塑性有限元分析结果
• 7.4 三维流变计算结果
• 7.5 进一步研究工作的设想
• 致谢
• 参考文献
• 附录：在校期间所参加课题及所发表论文等
• 附录 1:攻读硕士学位期间所完成的科研项目
• 附录 2:攻读硕士学位期间所完成的科研论文