铅厂电站碾压混凝土重力坝粘弹性有限元分析.pdf
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1、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
2、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
3、: 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
4、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
5、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
6、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 91 01 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。Em 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
7、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
8、 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
9、, 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 (
10、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
11、 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
12、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
13、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
14、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
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