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混凝土面板堆石坝坝料分区优化及坝体变形特性三维有限元分析

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1概述

1.1混凝土面板堆石坝发展和研究现状

1.1.1混凝土面板堆石坝的发展历史

1.1.2混凝土面板堆石坝的发展现状

1.2混凝土面板堆石坝沉降变形研究的问题和现状

1.2.1混凝土面板堆石坝沉降变形研究的问题

1.2.2混凝土面板堆石坝沉降变形的研究现状

1.3混凝土面板堆石坝中堆石料的研究

1.4 Bakun水电站混凝土面板堆石坝的工程概况

1.5本文研究的目的及意义

2. Bakun水电站混凝土面板堆石坝坝料分区优化研究

2.1方案描述

2.2施工工序及网格剖分

2.3计算结果分析

2.3.1方案A计算结果

2.3.2方案B计算结果

2.3.3方案C计算结果

2.3.4方案D计算结果

2.3.5方案E计算结果

2.3.6方案F计算结果

2.3.7方案G计算结果

2.3.8方案H计算结果

2.3.9小结

2.4坝体静动力特性研究

2.4.1 Duncan E-B模型计算结果

2.4.2双屈服面模型计算结果

小结:比较方案1,2的计算汇总于表2-3。

3.坝体三维有限元计算原理和方法

3.1静力计算材料的本构模型

3.1.1堆石料本构模型

3.1.2接触面本构模型

3.1.3接缝单元本构模型

3.1.4混凝土材料本构模型

3.2单元的数学力学分析

3.2.1实体单元数学力学分析

3.2.2接触面单元数学力学分析

3.2.3接缝连接单元数学力学分析

3.3结构静力平衡方程及求解方法

3.3.1静力平衡方程

3.3.2荷载分级与中点增量法

3.3.3流变分析

4.坝体三维非线性弹性分析

4.1三维非线性有限元计算条件

4.1.1计算范围及单元的剖分

4.1.2材料模型及参数

4.1.3荷载分级

4.2三维非线性弹性有限元计算成果及分析

4.2.1堆石体的变形、应力和应力水平

4.2.2混凝土面板的变形和应力

4.2.3接缝的变形

4.2.4右岸混凝土挡墙与防浪墙的变形和应力

4.3筑坝材料模型参数与坝体变形应力的敏感性分析

5坝体三维弹塑性分析

5.1三维弹塑性有限元计算条件

5.2三维弹塑性有限元计算成果分析

5.2.1堆石体的位移、应力和应力水平

5.2.2混凝土面板的变形和应力

5.2.3混凝土连接缝的位移

5.2.4右岸混凝土挡墙与防浪墙的变形与应力

6.坝体三维非线性流变分析

6.1三维流变有限元计算条件

6.1.1三维流变有限元计算模型与参数

6.1.2计算加荷分级及时间进度安排

6.2三维非线性流变计算成果分析

6.2.1坝体的位移、应力和应力水平

6.2.2混凝土面板的位移和应力

6.2.3连接缝的位移

6.2.4右岸混凝土挡墙与防浪墙的变形和应力

7总结与展望

7.1坝料试验的结果和建议

7.2三维非线性弹性有限元分析结果

7.3三维弹塑性有限元分析结果

7.4三维流变计算结果

7.5进一步研究工作的设想

致谢

参考文献

附录

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摘要

混凝土面板堆石坝是水工结构中重要坝型之一,且在近三十年来发展迅速,但该坝型的设计经验阶段,还无成熟的设计理论.为了提高设计水平,节省材料,减小投资,优化设计方案,本文针对Bakun水电站混凝土面板堆石坝筑坝材料分区优化问题以及施工期、运行期的沉降变形进行了研究,得到一些对设计和施工有益的结论.论文开展了以下几个方面的研究工作: 论文针对Bakun水电站混凝土面板堆石坝原设计分区,根据坝内3B料和3C料的不同组合,采用Duncan E-B模型,进行了6个方案的计算比较.对于主堆石3B区的筑坝材料,采用DuncanE-B模型及南水双屈服面模型进行了两种填筑方案的计算比较.对大坝材料分区及筑坝材料力学性能选取的合理性进行了论证,并提出了建议. 混凝土面板堆石坝研究的核心问题是坝体沉陷变形、坝体和坝周缝变形引起的面板断裂以及周边缝止水失效等.堆石是面板堆石坝结构的主体,其变形性态的合理性决定了对整个结构变形性态的可靠性.本文针对Bakun水电站混凝土面板堆石坝原设计方案,分别采用非线性弹性E-B模型、双屈服面弹塑性模型以及考虑流变特性的E-B模型,进行了三维非线性弹性静力有限元分析,三维弹塑性有限元分析和三维非线性流变有限元分析.三维有限元数值分析时,考虑了施工期及完建蓄水后堆石料的流变性,堆石料任意时刻的变形由瞬时变形与随时间变化的流变变形组成. 通过以上三种有限元数值分析,得到了Bakun水电站混凝土面板堆石坝施工期、竣工期以及运行期的沉降变形、侧向变形、流变变形,得到了大坝面板的挠曲变形,面板垂直缝、周边缝的沉降差、剪切位移和滑动位移,总结了大坝的沉降变形规律.研究了大坝施工期和竣工期的受力规律,探讨了大坝运行期内力调整规律.并对大坝的稳定性和设计合理性进行了论证,对大坝设计方案提出了有益的建议.

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