胶凝砂砾石坝体应力及位移非线性有限元分析-人民黄河.pdfVIP

第３８卷第９期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 人　 民　 黄　 河　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．９ 　 　 ２０１６年９月　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ＹＥＬＬＯＷ　 ＲＩＶＥＲ　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｓｅｐ．，２０１６　 　 【工程勘测设计】 胶凝砂砾石坝体应力及位移非线性有限元分析 １，２ １，２ １，２ 杨世锋 ，柴启辉 ，孙明权 （１．华北水利水电大学，河南郑州４５００４５； ２．水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心，河南郑州４５００４５） 摘　 要：为校核胶凝砂砾石坝的应力及变形状况，研究坝高、边坡变化对坝体应力及位移的影响。 结合胶凝砂砾石坝本 构模型，以非线性有限元方法研究不同坝高及边坡对坝体应力及位移的影响。 结果表明：胶凝砂砾石坝的大、小主应力 均随着坝高的增大而增大，最大大主应力出现在坝基面中部；坝体小主应力等值线在下游分布大体与坝体边坡平行，小 主应力的高应力区分布在上游处，且坝踵处拉应力随边坡的变陡而增大。 坝体的最大水平位移与最大垂直位移均随坝 高的增大而增大；随着坝坡的变陡，坝体最大水平位移增大，垂直位移等值线向下游移动。 关键词： 胶凝砂砾石； 非线性； 坝高； 边坡； 应力； 位移 中图分类号： ＴＶ４３　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００⁃１３７９．２０１６．０９．０２２ 　 　 胶凝砂砾石材料应力应变关系具有明显的非线性 参与非线性迭代。 特征，且坝体剖面较肥大，按材料力学法计算坝体应力 ２　 坝高对坝体应力及位移的影响 偏差较大，故有必要通过合适的本构模型进行坝体非 线性有限元分析，了解坝体真实的应力分布规律，按照 选用对称剖面、上下游边坡坡比为１０．７、水泥含 实际应力状态设计相应的材料强度。 ３ 量为５０ ｋｇ／ ｍ 的胶凝砂砾石材料，分析坝高对坝体应 自１９６７ 年 Ｃｌｏｕｇｈ 和Ｗｏｏｄｗａｒｄ 首先把有限单元 力的影响。 法用于土石坝非线性分析中，并采用模拟施工逐级加 ２．１　 主应力分析 载进行坝体应力计算以来，在坝体的应力应变分析中， 分析坝体的主应力等值线（见图１、图２）可知，坝 非线性有限元方法已被广泛采用。 笔者在前期胶凝砂 高Ｈ为６０、８０ ｍ时坝体的压应力最大值分别为 １．１３、 － ［１ ２］ ［３］ 砾石坝本构模型研究 和非线性分析 的基础上， １．４２ ＭＰａ，出现位置均在坝底中部；坝体的拉应力最大 通过非线性有限元分析校核胶凝砂砾石坝的应力及变 值分别为０．００３、０．１７ ＭＰａ，出现位置均在坝踵单元处， 形状况，探讨坝高、上下游坡比对坝体应力及位移的 主要由应力集中造成。 影响。 １　 计算模型简介 计算程序为土石坝有限元分析程序，笔者用 Ｆｏｒ⁃ ｔｒａｎ ＰｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎ４．０开发程序，采用调整后中点增量 法来处理材料的非线性问题，根据施工先后顺序逐级 施加荷载，计算坝体及坝基不同加载时期各节点的水 平位移及竖直位移、各单元的应力分量及主应力。 为了便于分析问题，在保证对计算结果影响不大 的前提下对计算模型作了如下简化：①坝顶宽取定值 ６ ｍ，不作为变化因素考虑；②不考虑上游面设置的混 凝土防渗面板，而将水压力直接作用在上游坝面上； ＝ ③上游坝面不设折坡点；④计算范围为坝体