高沥青混凝土心墙坝动力反应特性.pdf
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1、第 1 O 卷第 5 期 2 0 1 2年 1 O月 南水北调与 水利科技 S o u t h - t o - N o r t h Wa t e r D i v e r s i o n a n d Wa t e r S c i e n c e& T e c h n o l o g y Vo 1 1 0 No 5 0c t 2 0 1 2 d o i : 1 0 3 7 2 4 S P d 1 2 0 1 2 0 1 2 0 5 1 4 7 高沥青混凝土心墙坝动力反应特性 邓传贵 , 沈振 中 , 凌春海。 ( 1 _ 南京市水利规划设计院有限责任公司, 南京 2 1 0 0 0 6 ; 2 河
2、海大学 水利水电学院, 南京 2 1 0 0 9 8 ; 3 中水珠江规划勘测设计有限公司 水工处, 广州 5 1 0 6 1 0 ) 摘要: 根据官帽舟水电站工程的实际情况, 采用三维非线性有限元法 , 建立了官帽舟沥青混凝土心墙坝的三维有限 元模型, 仿真了大坝填筑和水库蓄水过程, 在获得坝体静力场的基础上 , 计算分析了大坝在设计地震作用下的动力 反应特性 , 获得了坝体及沥青心墙的加速度、 速度 、 位移反应分布以及坝体单元的安全系数。计算结果表明, 大坝在 设计三向地震作用下的加速度、 速度及位移反应分布符合一般规律 , 总体上沥青心墙的地震反应不大, 且坝体各单 元各时刻的安全系数
3、均大于 1 , 坝体在设计地震作用下是安全的。 关键词: 沥青混凝土心墙坝; 动力反应; 三维有限元法; 设计地震; 安全系数 中图分类号: T V6 4 1 ; TU4 3 5 文献标识码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 O 1 2 ) O 5 0 1 4 7 0 6 A n a l y s i s o f D y n a mi c R e s p o n s e C h a r a c t e r i s t i c s f o r C o r e R o c k f i l l Da m w i t h Hi g l l A s p h a l t C o
4、n c r e t e DE NG Ch u a n - g u i , SHEN Z h e n - z h o n g z , LI NG Ch u r r h a i 。 ( 1 Na n j i n g Wa t e r P l a n n i n g a n d De s i g n i n g I n s t i t u t e , L t d , Nn n j i n g 2 1 0 0 0 6 , C h i n a ; 2 C o l l e g e o f Wa t e r Con s e r v a n c y a n d Hy d r o p o we r E n g
5、i n e e r i n g, Ho h a i U n i v e r s i t y, n j i n g 2 1 0 0 9 8 , C h i n a; 3 Hy d r a u l i c En g S e c t i o n, C h i na Pe a r l Ri v e r Wa t e r Re s o u r c e s Pl a n n i n g, De s i g n a n d S u r v e y C O , Lt d, Gu a n g z h o u 5 1 0 6 1 0, Ch i n a) A b s t r a c t : Ac c o r d
6、i n g t o t h e a c t u a l c o n d i t i o n s o f t h e G u a n ma o z h o u h y d r o p o we r s t a t i o n p r o j e c t , t h e t h r e e - d i me n s i o n a l 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 wa s u s e d t o e s t a b l i s h a t h r e e - d i me n s i o n a l f i n i t
7、 e e l e me n t mo d e l o f t h e c o r e r o c k f i l l d a m wi t h a s p h a l t c o n c r e t e i n t h e Gu a n ma o z h o u s t a t i o n Th e mo d e l s i mu l a t e d t h e p r o c e s s e s o f t h e d a m f i l l i n g a n d r e s e r v o i r i mp o u n d i n g Ba s e d o n t h e s t a t
8、 i c f i e 1 d o f t h e d a m, t h e d y n a mi c r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d a m u n d e r t h e d e s i g n e a r t h q u a k e a c t i o n s we r e a n a l y z e & Th e d i s t r i b u t io n s o f a c c e l e r a t i o n r e s p o n s e , v e l o c i t y r e s p o
9、n s e , a n d d i s p l a c e me n t r e s p o n s e o f t h e c o r e r o c k f i l l d a m a n d t h e s a f e t y c o e f f i c i e n t o f t h e d am e l e me n t we r e o b t a i n e d Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e d i s t r i b u t i o n s o f a c e e l e r a t i o n r e s po n s
10、 e , v e l o c i t y r e s po n s e , a n d d i s p l a c e me n t r e s p o n s e o f t h e d a m a c c o r d wi t h t h e g e n e r a 1 l a w Ov e r a l l , t h e d yn a mi c r e s p o n s e o f t h e a s p h a l t c o n c r e t e c o r e t o t h e e a r t h q u a k e i s i n s i g n i f i c a n t
11、 a n d t h e s a f e t y c o e f f i c i e n t o f e a c h d a m e l e me n t i s g r e a t e r t h a n 1 a t a l l t i me s , a n d t h u s t h e d a m i s s a f e u n d e r t h e d e s i g n e a r t h q u a k e a c t i o n s Ke y wo r d s :c o r e r o c k fi l l d a m wi t h a s p h a l t c o n c
12、r e t e ; d y n a mi c r e s p o n s e ; t h r e e - d i me n s i o n a l f i n i t e e l e me n t me t h o d; d e s i g n e a r t h - q u a k e ; s a f e t y c o e f f i c i e n t 1 工程概 况 4 。 o m 3 s 。 官帽舟水电站沥青混凝土心墙坝典型剖面见 官帽舟水电站位于四川省乐山市的马边河上, 是马边河 干流七级开发方案 中的龙头水库电站, 电站装机容量 1 2 0 MW。拦河大坝采用碾压式沥青混凝土心墙
13、混合坝 1 。水 库正常蓄水位 6 7 4 O 0 m, 相应库容 0 8 7亿 m3 , 最大坝高 1 0 9 m, 地震设 防烈度 为度 。设计 洪水标准为 1 0 0年一遇 , 相应 流量 3 1 8 0 r n 3 s ; 校核洪水标准为 2 0 0 0年一遇, 相应流量 图 1 。 本文采用三维非线性有限元法以及堆石料常用的邓肯一 张模型, 建 立官帽舟沥青混凝 土心墙坝 的三维有 限元模 型 , 仿真大坝填筑和水库蓄水过程, 获得地震响应分析的 大坝初始应力状态 , 计算分析大坝在设计地震作用下的动力 反应特性 , 评价其抗震安全性 。 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 6 2
14、5 修回 日期 : 2 0 1 2 0 7 1 5 网络 出版时 间: 2 0 1 2 1 0 1 2 网络 出版地址 : h t t p : 、 n v c n k i n e t k c ms d e t a i l 1 3 1 3 3 4 Tv_ 2 0 1 2 1 0 1 2 1 8 1 3 0 0 4 h t ml 基金项 目: 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室专项基金“ 水利工程病变机理与健康诊断” ( 2 0 0 9 5 8 6 0 1 2 ) 作者简介: 邓传贵( 1 9 6 7 一 ) , 男, 江苏姜堰人, 高级工程师, 主要从事水利工程施工及管理方面研究。E
15、 - m a i l : 8 4 5 3 0 5 1 2 1 q q m 第 1 O卷 总第 6 2期 南水北调与水利科技 2 0 1 2年第 5期 1 0 0 0 图 1 沥青心墙混合坝典型剖面 Fi g 1 Ty p i c a l pr o f i l e o f t he c o r e r o c k f i l l d a m wi t h a s p h a l t c o nc r e t e 2 本构模型和计算方法 2 1 静力非线性有限元分析 为了获得地震作用时坝体的初始应力状态 , 首先需要进 行静力分析。计算时采用中点增量法, 以提高迭代计算精 度。对于不同特性的材料,
16、 分别采用线弹性模型、 非线性弹 性模型( 邓肯张( E - B ) 模型) 、 接触面模型 。有限元的 基本单元采用八结点六面体单元, 填充单元包括六结点五面 体单元和四结点四面体单元两种。堆石与沥青心墙之间的 接触面采用无厚度 Go o d ma n 单元模拟 。 2 2 动力非线性有限元分析方法 动力非线性有限元分析采用 wi l s o n线性加速度法, 通 过逐步积分求解动力平衡方程, 并采用迭代求解技术考虑变 化的动剪切模量。如果第 i 次和第 i 一1次迭代单元的动剪 切模量为 和G , 则迭代收敛准则可表示为: 。 1 一 般最大迭代 5 6次, 即可满足式( 1 ) 。 材料
17、的动力本构模型采用修正的哈定 一德涅维奇模型, 是一种等效非线性黏弹性模型, 采用等效剪切模量 G和等效 阻尼比 来反映堆石料的动应力应变关系, 并表示为剪切模 量和阻尼比与动剪应变幅的关系 。首先要确定最大动 剪切模量 与平均有效应力 的关系, 以及动剪切模量 G 与动阻尼比 的关系。最大动剪切模量 G 可以表示为: , n G 眦 x =K f ( 2 ) a 式中: t 7 一平均有效应力; 一大气压力; K、 一试验参数, 模量系数 K和模量指数 。 动剪切模量比 G G 和动阻尼比 与动剪应变 y的关系 曲线由试验测得, 动力计算时可直接输入相应的关系曲线。 3 三维有限元模型 根据
18、官帽舟水电站工程的实际情况和特点 , 建立大坝的 三维有限元模型。计算坐标系规定: x轴为顺河向, 由上游 指向下游, 取坝轴线为 x轴零点; Y轴为沿坝轴线向( 横河 向) , 由右岸指向左岸, 取右岸坝轴线端为 y轴零点; Z轴为 1 48 垂直向, 指向上方 , 与高程一致。采用控制断面超单元 自动 剖分技术, 首先形成超单元 , 然后加密剖分形成有限单元。 控制剖面根据结构的特点、 分级加载和形成超单元的要求选 取。加密细分后形成有限单元网格, 结点总数为 1 8 1 2 8个, 单元总数为 1 7 2 3 5 个, 坝体有限元网格见图 2 。混凝土底座 和沥青心墙网格见图 3 。这里
19、沥青心墙沿厚度方向剖分为两 个单元, 以便分析其上下游侧的拉压状态。 图 2 坝体三维有限元网格 Fi g 2 Thr e e - d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me nt me s h o f t h e d a m b o d y 图 3 沥青心墙和底座三维有限元网格 Fi g 3 Th r e e - d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me nt me s h o f t h e a s p ha l t c o n c r e t e c o r e a n d i t s f o u n d a
20、t io n 4 计算参数和荷载工况 4 1 计算参数 坝体堆石料、 石渣料、 过渡料等各料区土料的邓肯一张 邓传贵等 高沥青混凝土心墙坝动力反应特性 ( E - B ) 模型计算参数取值见表 1 , 混凝土和基岩的弹性参数 也列在表中。 坝料的动力特性计算参数 , 根据室内试验成果和工程经 验选取E l 1 - 1 2 , 如表 2 所示 , 其 中所缺部分材料参数按照相近 特性的材料选取。限于篇幅, 仅列出了沥青心墙的动剪切模 量比和动阻尼比试验曲线部分成果( 表 3 ) 。 袭 1 坝体及坝基的材料参数 Ta b l e 1 Th e p h y s i c a l p a r a me
21、 t e r s o f t h e d a m a nd i t s f ou n d a t i o n 表 3 沥青心墙的动剪切模量与阻尼比试验曲线 Ta b l e 3 Th e pa r a me t e r s o f d y n a mi c s h e a r mo d u l u s a n d d a mp i n g r a t i o o f t h e a s p h a l t c o nc r e t e c o r e 4 2 荷载 工 况 根据坝区抗震设计要求, 参照 水工建筑物抗震设计规 范 D L 5 0 7 3 - 2 0 0 0 , 动力反应计算考虑“
22、 正常蓄水位+地震” 的 工况。官帽舟水电站坝址未来 5 O年超越概率为 1 O 的地震 烈度为 7 7 度, 相应 的基岩水平峰值加速度值为 1 6 3 c m s 2 , 采用设计提供的模拟地震曲线进行分析, 见图 4 。基岩输入 地震垂直向峰值加速度取水平向峰值加速度的 2 3 。上游为 正常蓄水位 6 7 4 0 0 m, 下游水位 5 8 2 7 3 m, 由于心墙坝上游 坝壳是饱和的, 不计坝体与库水的相互作用 地震反应分析 的计算时间步长为 0 0 2 S 。 s 图 4 输入的基岩地震动加速度曲线 Fi g 4 Th e i np u t e a r t hq u a k e
23、a c c e l e r a t i o n c u r v e o f t he b e d r o c k 5 坝体动力响应特性分析 5 1 坝 体静 力状 态 大坝采用连续施工方案 , 即首先连续填筑坝体直到坝 顶, 然后再进行水库蓄水 。施工期, 根据坝体施工进度安排, 从大坝建基面开始至坝顶逐步上升 , 一期加载上游枯水围堰 和坝体全年围堰, 二期加载坝体至 6 2 7 5 m高程 , 三期加载 坝体至坝顶, 其 中一期和二期共分 5级进行加载, 三期分 4 级进行加载, 总共分 9 级荷载模拟大坝填筑施工进程; 蓄水 1 49 第 1 o卷 总第 6 2期 南水北调与水利科技 2
24、 0 1 2年第5期 期, 分 7 级荷载模拟水库水位逐渐上升的过程 , 每级水位上 升约 1 5 m。全部共有 1 6 级加载完成坝体填筑和蓄水。 正常蓄水位时, 坝体典型剖面( y=1 2 3 m) 的应力分布如 图 5 所示。其中水平坐标为距离, 垂直坐标为高程, 单位均为 m( 下同) ; 应力以压应力为正, 以拉应力为负, 单位是 k P a ( 下 同) 。坝体的最大第一主应力为 2 0 0 1 k P a , 最大第二主应力为 8 7 3 k P a , 最大第三主应力为 6 2 1 k P a , 均发生在坝体底部附近, 越靠近坝轴线, 主应力越大。坝体应力水平最大值约为 0
25、7 7 , 这里应力水平定义为剪应力与抗剪强度的比值。 6 5 0 6 0 0 2 5 0 2 0 0 一l 5 0 一l 0 0 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 ( a )第一主应力 6 5 0 6 0 0 2 5 0 2 0 o I 5 0 一1 0 0 -5 0 0 5 0 1 0 o 1 5 0 2 0 o ( b )第 二主应力 6 5 0 6 0 0 2 5 0 2 0 0 -1 5 0 一1 0 o - 5 0 0 5 0 l 0 0 1 5 0 2 0 o ( c )第三主应力 图5 蓄水期坝体典型剖面应力分布( k P a ) F i g 5 Th e
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