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坝体结构的有限元分析与优化

发布于:2018-03-01 18:22
有限元分析

       通过有限元分析计算,在保证坝体施工期、运行期的沉降量以及面板的应力在合理范围内的前提下,上游边界线尽量往坝体上游侧靠近,以期能够最大限度地利用软岩材料,从而使工程设计进一步优化。 
       堆石体作为混凝土面板堆石坝的主体,其应力应变关系的合理模拟对提高混凝土面板堆石坝应力变形计算结果的合理性非常重要。常用的堆石体本构模型大体上可以分为非线性弹性模型和弹塑性模型两大类。非线性弹性模型以邓肯E-B模型及K-G模型最为典型及常用;弹塑性模型中主要有“南水”双屈服面模型和殷宗泽双屈服面模型。这些模型从不同的方面表征了堆石料的应力应变关系性质。非线性模型中,邓肯E-B模型在概念上和数学表达上都很简单,模型参数易于确定,许多参数已有大量的数据,便于有限元分析计算,并已有丰富的工程应用经验。本研究采用邓肯E-B模型。目前,材料非线性问题的基本解法有迭代法和增量法两种,其中按材料切线模量迭代计算过程的不同,增量法又分为基本增量法和中点增量法两种。相比较而言,由于中点增量法具有分级迭代易于收敛、计算精度较高等优点,因此在工程实际中应用更为普遍。
       某混凝土面板堆石坝是一座以灌溉和供水为主,兼有发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益的大型水利枢纽工程。该工程总库容11.12亿亩,电站装机容量76万kW。混凝土面板堆石坝趾板建基高程728 m,坝顶高程884 m,最大坝高156 m,坝顶长663.77m,宽12 m。上游坝坡1:1.4,下游坝坡在高程840 m马道以上为1:1.5,其下为1:1.4。
       根据规范,本研究将次堆石区的材料分别采用硬岩和软岩进行三维有限元计算。
       方案一:次堆石区采用硬岩料(砂卵石)。
       方案二:次堆石区采用软岩料(砂泥岩)。
       计算范围:沿坝轴线选取最大剖面所在的坝段建立计算模型,运用大型有限元AppADINA,进行坝体应力变形的有限元计算。计算范围:坝基取到基岩面,上、下游方向分别取至上、下游坝坡坡脚,左右岸取至坝体坝肩。边界条件:底部、左右岸取为固定约束。混凝土面板及趾板采用线弹性模型,垫层、过渡层及主堆石及次堆石体材料采用非线性邓肯E-B模型。选用8节点等参单元进行剖分。
       (1)水库特征水位。正常蓄水位877.00 m,设计洪水位871.10 m,校核洪水位883.10 m。
       (2)混凝土面板按照线弹性材料计算,计算中取材料密度p=2450 kg/m3,泊松比σ= 0.167,弹性模量E =2.0xe11Pa。
       (3)邓肯E-B模型参数。坝体各区材料的邓肯E-B模型参数采用该电站工程相应的材料试验结果。
       计算工况分:大坝竣工期和蓄水期两种。施工期的坝基开挖及坝体填筑共分13级荷载实施计算,水库蓄水至正常高水位的蓄水过程分3级荷载步。
       混凝土面板堆石坝的蓄水工程是随着坝前水位的抬高,水荷载将逐步施加在面板上。假设分三级施加库水压力,每一级坝高一次为h1,h2,h3,用y表示库水重度,较低坝面上的库水压力应该也随着增加。即在任一坝面高为的上游坝面,库水压力p。
       按照上述有限元计算模型,按逐级加载的方法,进行大坝非线性有限元仿真计算,得到大坝竣工期和蓄水期的应力变形计算结果。


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