基于FLAC3D对复合型坝接合部位的力学分析.pdf

基于FLAC 3D 对复合型坝接合部位力学分析 李会兴1，张贵金1,2，姜宇1，王祖强1 1长沙理工大学 水利学院，长沙(410076) 2湖南省水沙科学与水灾害防治重点实验室，长沙(410076) E-mail：huixing_183@163.com 摘 要：以土石坝和混凝土坝组成的复合型坝为例，由于兼有土石坝和混凝土坝的优点，其 理念逐渐被许多设计人员所接受。但作为坝体的接合部位这一相对软弱部位，其力学性能直 接决定了该类坝型的整体安全，因此，对其进行详细的结构分析具有十分重要的意义。本文 采用FLAC3D软件对湖南洪江托口水电站主坝的比选方案——复合型坝的接合部位进行结构 分析。结果表明：在结合部位的倾斜接触面上产生相对滑移现象，但未出现裂缝，接合处整 体稳定。在这一工作基础上，可进行基于结构分析的复合型坝优化设计，实际工程还可根据 计算分析结论布置监测设施。 关键词：复合型坝；接合部位；FLAC3D；力学分析 中图分类号：TV314 文献识码：A 概述 由两种或两种以上坝型连接而成的坝体称为复合坝，这种坝一般可由混凝土重力坝或支 墩坝同土石坝连接构成。复合坝兼有土石坝和混凝土坝两者的优点，混凝土坝部分在施工期 间可以宣泄洪水，建成后可用作溢流坝；土石坝则可利用当地材料使造价降低[1]。由于兼顾 了不同坝型的优点，复合坝已有很长时间的历史，在施工技术上也日渐成熟。此种坝型在国 内外有大量的工程实例，如美国科罗拉多州阿堪萨斯（Arkansas）河的普布罗坝（Pueblo Dam）、日本的宫川大坝；我国丹江口水利枢纽、辽宁营口的三道岭水电站、云南丽江观音 岩水电站等。 由于土石坝与混凝土坝接合部位是两种刚度相差悬殊材料的交界面，这一部位在静力条 件下坝顶即可能产生拉应力，在地震或其他荷载作用下，接合部位由于存在显著的断面变化 可能产生应力集中，在两种材料的接触面上极易出现滑移裂缝，且开裂后自愈能力小，修复 困难[2]。并且在蓄水后混凝土坝向下游变形，接合部位上游接触面容易出现脱开现象[3]。在 高挡墙堆石复合坝中，由于坝内渗透压力影响，接合部位的下游接触面易产生滑裂面[4]，从 而降低坝体渗流稳定。湖南又一大型水电站——洪江托口水电站即将兴建，其主坝的比选方 案采用由混凝土坝与粘土心墙堆石坝组合的复合型坝，本文采用美国Itasca公司开发的三维 有限差分计算软件FLAC3D对其接合部位进行力学计算，分析其力学性能。 1．计算原理 FLAC3D采用混合离散方法来模拟材料的屈服或塑性流动特性，这种方法比有限元方法 中通常采用的降阶积分更为合理，非常适合模拟多种材料特别是力学性能相差悬殊的复合体 与边界条件，FLAC3D利用动态的运动方程进行求解，使得数值计算模型能够模拟一些动态 问题，如失稳、大变形等。 1.1 运动方程 FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）代表连续介质快速拉格朗日分析[5]，快 速拉格朗日分析以节点为计算对象，在时域内求解。节点运动方程可如下： - 1 - ( )l li i l v F t t m ? = ? （1） 其中 为在 t时刻 l节点在 i 方向的不平衡力分量，可由虚功原理导出， 为 l节点 的集中质量，对于静态问题，采用虚拟质量以保证数值稳定。 ( )liF t lm 1.2 应变、应力及本构方程 快速拉格朗日分析由速率来求某一时步的单元应变增量，即： , , 1 ( 2ij i j j i e v vΔ = + Δ) t ) e e e （2） 有了应变增量，即可由本构方程求出应力增量，进而得到总应力。本文将混凝土坝段看 作各向同性弹性体，计算心墙堆石坝时采用的本构模型为FLAC3D程序中的Mohr-Coulomb Model，该模型适用于普通土壤、岩石等颗粒材料的力学行为，破坏形式为剪切破坏或拉伸 破坏。具体表达式为: 1 1 1 2 2 3 2 1 2 2 1 3 3 1 3 2 1 2 ( ) ( ( ) e e e e e e e e e e e e e e e σ α α σ α α σ α α ?Δ = Δ + Δ + Δ ? Δ = Δ + Δ + Δ ? ?Δ = Δ + Δ + Δ ? （3） 式中： 1 (4 / 3)K Gα = + 和 2 (2 / 3)K Gα = ? 。 1.3 网格划分和计算 FLAC3D程序采用混合离散方法[6]，将区域离散为常应变六面体单元的集合体，又将每 个六面体看作以六面