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面板堆石坝坝体结构分区优化及非线性数值分析

毛渐  
【摘要】:混凝土面板堆石坝作为土石坝和水工结构的重要坝型之一,在最近40年时间内得到了飞速发展,常常因其安全性好、体积小、施工快捷、造价低等优点受到国内外坝工界的关注和重视,成为目前具有很强竞争力和发展前景的坝型。 虽然该坝型积累的设计经验较多,但从总体上来看,理论研究、数值计算方法等方面仍处于不成熟、不完善的阶段。传统的设计方法缺乏安全经济性衡量标准,已经不能适应现代面板坝的发展要求,而最优化设计在明确追求经济和安全的前提下,实现分析计算自动化,设计效率和质量都有显著提升。 从我国近期面板坝的发展来看,主要特点和问题表现在:一是坝体高度在不断增加,筑坝材料要求提高,料源供需与投资成本大幅增加;二是地质、地形条件日趋复杂,坝体变形等问题较低坝有很大不同。所以,高坝的应力变形非线性分析必须重视。对于这些现存问题,本文主要研究内容如下: (1)基于工程结构优化设计理论,应用区间优化方法以及非线性有限元分析手段,考虑堆石料非线性等特点,采用邓肯张E-B模型,并充分模拟大坝分级碾压的施工过程和蓄水过程。对面板坝实际工程断面进行了分区优化,在体形尺寸、堆石用料、坝体变形等方面都得到了较好的综合优化效果。 (2)按照面板堆石坝常用的本构模型和应力应变分析理论,对扎毛水库面板堆石坝进行了平面与三维非线性静力分析。重点研究了三维非线性有限元模型建立和分析过程,验证和完善了平面分析过程不能反映的一些坝体应力变形特征。对坝体结构静力计算成果进行了较为深入的比较分析,对原设计方案、分区合理性及其对坝体应力应变影响作了相关评价。 (3)通过拟静力法对该面板坝进行了三维非线性动力分析,得出了坝体和面板等结构的动力效应结果,分析总结了面板和坝体动位移、动应力情况,提出了一些施工建议。


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