蒙山天池堆石自密实混凝土拱坝三维有限元分析.pdf

水利建设与管理 2 0 1 5 年 第8 期 D OI ： 1 0 1 6 6 1 6 j c n k i 1 1 - 4 4 4 6 r v 2 0 1 5 0 8 0 1 3 蒙山天池堆石 自密实混凝土拱坝 三维有限元分析 郁章文 刘 刚 (山东省临沂市水利勘测设计院，山东 临沂2 7 6 0 0 0 ) 【 摘要】 蒙山天池拱坝采用新型材料及施工工艺， 其设计和分析都超 出现行拱坝设计规范， 因此拱坝的安全性 成为工程设计 中最重 要的关键技术 问题 之一。本 文采用 线弹性有 限单元 法， 用有 限元分析软 件 A N S Y S对 蒙 山天 池堆石 自密实混凝土拱坝进行 了多工况分析研究， 并对计算出的大坝应力和变形状态进行分析。计算结果表明： 坝体应力和变形均在规范允许范围内。 【 关键词】 自密实混凝土； 三维有限元分析； 拱坝 中图分类号 ： T V 6 4 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 5 - 4 7 7 4 ( 2 0 1 5) 0 8 - 0 0 4 8 - 0 5 An a l y s i s o n t h r e e - d i me n s i o n a l fin i t e e l e me n t o f M e n g s h a n M o u n t a i n Ti a n c h i he a p s t o n e s e l f - c o m pa c t i n g c o n c r e t e a r c h d a m YU Z h a n g we n，L I U Ga n g ( S h a n d o n g L i n y i W a t e r C o n s e r v a n c y R e c o n n a i s s a n c e a n d D e s i g n I n s t i t u t e ， L i n y i 2 7 6 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Me n g s h a n Mo u n t a i n T i a n c h i a r c h d a m a d o p t s n o v e l ma t e ria l s a n d c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y I t s d e s i g n a n d a n a l y s i s a r e b e y o n d c u r r e n t arc h d a m d e s i g n s p e c i fi c a t i o n，t h e r e f o r e t h e s a f e t y o f t h e arc h d a m b e c o me s o n e o f t h e mo s t i mp o r t a n t k e y t e c h n i c a l p r o b l e ms i n e n g i n e e ri n g d e s i g n I n t h e p a p e r ，l i n e a r e l a s t i c fi n i t e e l e me n t me t h o d i s a d o p t e d ，fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t w are ANS YS i s u s e d f o r a n a l y z i n g a n d s t u d y i n g ma n y c o n d i t i o n s o f Me n g s h a n Mo u n t a i n T i a n c h i h e a p s t o n e s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e a r c h d a m T h e c a l c u l a t e d d a m s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n s t a t e are a n aly z e d T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t d a m s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n a r e w i t h i n a l l o w a b l e s c o p e o f s p e c i fi c a t i o n Ke y wo r d s ：s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e ；t h r e e d i me n s i o n al fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s ；a r c h d a m 1 引 言 蒙山天池堆石 自密实混凝土拱坝坝体采用单曲拱 坝 ， 最大坝高 2 4 0 m， 坝顶外 弧 半径 为 5 0 m， 最大 中心 角为 7 8 。 。坝长 1 3 0 m， 其中中间拱坝段 6 8 m， 左端重力 墩 2 8 4 6 m( 包括拱座) ， 右端重力墩 3 3 5 4 m( 包括拱 座) ， 分别与两岸连接。坝顶高程 8 1 5 O O m， 拱坝坝顶 宽度为 4 O m， 最大坝底宽为 1 0 O m。坝体断面上游面 为铅直面， 下游面为折坡 ， 上部 3 m为直线段 ， 下部坡 4 8 比为 1 ： 0 3 3 。坝顶设 4孔溢流堰 ， 总净宽 2 0 m， 堰顶 高 程 8 1 4 O O m。详见 图 1 、 图 2 。 蒙山天池工程筑 坝材料 采用堆 石 自密实 混凝 土 。 堆石混凝土是在自密实混凝土技术基础上发展起来的 一 种新型大体积混凝土施工技术， 已获得 国家专利。 堆石混凝土施工首先将满足一定粒径要求的堆石直接 入仓， 形成有空隙的堆石体， 然后在堆石体表面浇筑满 足特定要求的 自密实混凝土 ， 利用其特有的高流动 、 抗 离析 、 强填充 黏结 性 能 ， 依靠 自重 完全 充填 堆 石 体空 隙， 形成完整 、 密实 、 有较高强度和低水化热的大体积 混凝土 。 自密实混凝土是指在浇筑过程 中无需施加任 何振 捣 ， 仅依 靠混凝 土 自重就 能完全 填充 至模 板 内任 何角落 和钢筋 间隙的混凝 土。 根据蒙 山 天池 拱 坝 的工 程 特 点 ， 利 用 大 型 软件 A N S Y S ， 建立拱坝的三维非线性有 限元 分析模型 ， 仿 真 模拟 拱坝 的运行性 态 ， 研究拱 坝在运 行期 的应力变 形 特性 ， 分析评价拱坝结构设计的合理性和安全性， 并相 应优 化调整拱 坝设 计 ， 满足工程需求 。 2 计算理论 A N S Y S 程序提 供一 种 以 D r u c k e r P r a g e r 为 屈服 准 则 的材料 ， 该材料选项适用 于混凝 土 、 岩 石土壤等颗粒 状材 料。 D r u c k e r P r a g e r 准 则 实 际是 对 M o h r C o u l o m b准 则 的修 正。由于 M o h r C o u l o m b准则 在 叮 T 平 面上 的屈 服 轨迹 为六 角形 ， 它 在主应 力空问 的屈服面有 一个奇 异 的顶点 ， 为消除角点 ， D r u c k e r 和 P r a g e r 对 其提 出修正 ， 他们 建议用一个正圆锥面来代替上述的不规则六 角锥 面。在 霄平 面上 的屈服 轨迹 为一 圆。其 屈 服 函数 表 示为 l厂 ( ， 1 ， J 2 )： ， I + 一K=0 ( 1 ) 式中， 【 、 ， 分别为应力张量的第一不变量和应力 偏张量 的第二不变量 ； 、， c 为材料 常 数 ， 它 们 与 内摩 擦 角 和黏 聚力 C 的关系为 ：- 二 一 ， ， (：_ = = ( 2 ) 4 3 ( 3s i n o ) 3 ( 3s i n o ) 其 中， “+” 号 对 应 于 D mc k e r P r a g e r圆 锥 面 与 M o h r 锥体 的 内角 点 相 接 ， “ 一 ” 号 则 对 应 于 D r u c k e r - P r a g e r 圆锥面与 M o h r 锥体外接。若取 O t = 0 ， 则其退化 为 M i s e s 准贝 0 ： 一，c =0。 反映材料本构关 系的弹 塑性矩 阵 D 、 为 D ：D( 1一r ) D ( 3 ) 式 中 D、 D 分别为弹性与塑性本构 阵 ； A 为材料硬化参数 。 5 O l 0 F F t F 弹性 区单元或卸载单元 塑性区单元 过渡 区单元 ， 加载前 F 0 由于 A N S Y S 采用 的 D r u c k e r P r a g e r 屈服面为M o h r C o u l o m b屈服 面的外接 圆锥 ， 式 ( 2 ) 取 “ I ” 。屈 服面不 随材料的逐渐屈服而改变 ， 即没有强化准则 ， 但屈 服强 度随侧 限压力 的增 加而相 应增加 ， 塑性行 为假定 为理 想 弹塑性 。采用 相关 联流动 法则 ， 即流动 方程 是塑性 应变在垂 直于屈服面的方 向发展 的屈服准则 中推 导出 来的 。考虑 由于屈 服而引起 的体 积膨胀 ， 但 不 考虑 温 度变化 的影 响。另 外 ， 塑 性 应 变 的 大 小 与 加 载 速 度 无关 。 对 D P材料 ， 其 受压 时 的屈 服强 度大 于 受拉 时 的 屈服强度。如果有材料的单轴受拉屈服 应力和单 轴受 压屈服应 力 ， 可 以通过下式 将此二值 转换 为程序所 需 的输 入值 n 。 ( 4 ) 。： ( 5 ) 。 )J 式 中 和 可 由受压屈 服应 力和受 拉屈 服应 力计 算出 一 高 ( 6 ) ： ( 7 ) 3 ( ， + ) 3 计算模型 3 1 网格生成 根据有 限元设 计规 范及参 考相关 类似 工程 ， 利用 有限单元法计算拱坝应力时， 单元的剖分应尽量达到 设计所要求的精度， 单元形式结合拱坝体型合理选用。 计算坐标系规定为： 轴为坝轴线向( 横河向) ， 由左岸 指向右岸 ； Y轴 为顺 河 向 ， 指 向下游 ； Z轴 为垂 直 向， 竖直向上， 与高程一致。 根据蒙山天池拱坝的坝体结构及坝基岩体 的资料 ( 包括断面 、 地质剖面 等 ) ， 结合类 似工程 经验 ， 截 取有 限元模 型 计算 范 围如下： 横河 向截 取长度 总计 为