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1、基于分級加載高面板堆石壩應力變形研究 摘要：依據(jù)非線性彈性KG模型理論對天池上水庫面板堆石壩進行了應力變形分析。首先采用CAD圖形和程序控制相結合方法建立壩體與地基模型，考慮了斷層構造和岸坡變化，得到了較為精細的三維有限元模型。然后在模型計算中采用了施工逐級加載的方法對壩體進行了模擬，應用修正后的分級加載位移變形公式，對竣工期和正常水位蓄水期的應力變形進行三維有限元分析，得出了兩種工況下斷層對該高面板壩應力變形影響一般規(guī)律。關鍵詞：面板堆石壩；非線性彈性模型；逐級加載；三維有限元；應力變形分析中圖分
2、類號：TV314；TV641.4文獻標識碼：A文章編號：10堆石體是混凝土面板堆石壩最重要的組成部分，其變形程度對壩體的穩(wěn)定和安全都有很大的影響[1]。以往的三維建模對地基部分大都只是近似的將地基看成平面進行分層，而未考慮其復雜的地形及地質(zhì)條件；大都假設壩體施工是一次性完成的，因此其模擬分析不能真實反映壩體位移和變形。本文依據(jù)非線性彈性KG模型理論，利用大型有限元軟件ADINA[2]對天池上水庫面板堆石壩復雜地形及斷層地質(zhì)構造進行精細模擬，同時對壩體分級施工加載[34]進行了模擬，建立了三維有限元模型
3、，對竣工期和蓄水期壩體應力應變進行了分析[56]。1計算原理1.1非線性彈性KG模型基本理論2.2計算工況計算時分以下兩種工況進行有限元模擬分析。（1）壩體竣工期。模擬了壩體逐級施工的過程，在模擬壩體施工完成后對壩體的應力應變進行分析。主要分七步逐級施加壩體的自重荷載：首先施加全部的山體、斷層，接著施加到高程970m壩體斷面（壩體最低高程為950m），從高程970～1050m，壩體土層厚度每20m加載一次，分五級施加，最后一級加載到高程1066m壩體+防浪墻斷面。（2）壩體正常蓄水期。壩體逐級施工完成
4、后，在壩體上游施加水位為1063m的水荷載，對水荷載作用下的壩體的應力應變進行分析。3數(shù)值模擬分析利用有限元分析軟件ADINA進行分析，計算時采用非線性摩爾-庫倫準則[15]。取沿水流方向上游指向下游為X軸正向；Y軸正方向為沿壩軸方向從右指向左；Z軸正向為豎直向上與高程一致。地基模型范圍為：壩基向上、下游各延伸150m，壩肩向左、右岸各延伸100m，底部伸至高程為800.0m處。10有限元模型建立時通過CAD圖形和程序控制相結合的方法精細地模擬了河槽的不規(guī)則形狀和斷層節(jié)理構造。主要通過以下3步來生成三
5、維網(wǎng)格。（1）控制信息的讀入。采用若干離散的關鍵點來控制三維河床，對壩體結構通過CAD圖形和壩體的相關數(shù)據(jù)來控制，對壩體材料通過CAD圖形和力學參數(shù)來控制，對于壩體的逐級施工通過數(shù)據(jù)文件來控制。[JP2]（2）網(wǎng)格的生成。通過若干控制面（可為空間曲面）來控制幾何信息，面之間可以有重合，面按一定規(guī)律生成一張網(wǎng)絡，并定義其投影點的屬性，將各個投影點形成三維八節(jié)點六面體網(wǎng)格，根據(jù)具體的要求來調(diào)整一些節(jié)點的坐標；以單元為單位，根據(jù)其8個節(jié)點的坐標來判斷單元的形狀，從而將重復的點和不存在的單元濾掉，將不規(guī)則的單
6、元進行細分。[JP][JP2]（3）數(shù)據(jù)文件的生成。按逐級施工的順序，將單元和節(jié)點號重排列，結合材料和荷載信息生成有限元計算數(shù)據(jù)文件。[JP]生成的三維網(wǎng)格見圖2。10大主應力：由圖4看出，大主應力的最大受拉區(qū)均在壩軸線偏上游部位的壩底巖基處，而最大受壓區(qū)都在壩體二分之一處；F1剖面在蓄水后壩基的應力分布幾乎沒有什么大的變化，只是在壩體上游小埡口附近出現(xiàn)拉應力切拉應力值有所增大，而面板及壩體主堆石區(qū)壓應力值有所增加，在壩體二分之一偏下游處壓應力值有所減小；由圖5可知，F(xiàn)2剖面在蓄水后的應力變化趨勢和F
7、1剖面基本相同，只是F2剖面小埡口附近以壓應力為主，壓應力在主堆石區(qū)附近普遍增大；由F1、F2剖面比較得出，岸坡坡度越緩，壩肩處的拉應力值越大；由圖8可知，F(xiàn)4橫剖面的最大拉應力蓄水后有明顯降低，而其余3個縱剖面的最大拉應力值變化不大。最大壓應力在蓄水前后4個剖面變化都比較平和，各剖面的最大壓應力值較最大拉應力值要大。小主應力：由圖6、圖7及圖9看出，小主應力在兩種工況下都只有壓應力而無拉應力。兩剖面小主應力的分布都是從壩體頂部到壩底逐漸增加。但F1剖面由于受到斷層構造的影響小，主應力在斷層面出現(xiàn)了不
8、連續(xù)的變化，與同高程面相比，斷層面壓應力明顯增大。由圖看出，在蓄水后各剖面壓應力變化都比較平緩，最大、最小壓應力均變化不大。[BT3][STHZ]3.2壩體變形分析為了便于分析橫剖面的變形，這里增列了F4剖面的豎向位移等值分布圖（以豎直上移為正）和水平位移等值分布圖（以順流水平位移為正）。10豎向位移：由圖10、圖11看出，兩種工況下壩體及下方地基都發(fā)生沉降，只有在距離壩體較遠的上游地基發(fā)生豎直上移，最大位移變形在壩體二分之一的壩基處，壩頂部位的位移變形
