高等土力学高等土力学 (11).pdf
《高等土力学高等土力学 (11).pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高等土力学高等土力学 (11).pdf(7页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第 37 卷 第 11 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.37 No.11 2015年 11月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Nov.2015 考虑流固耦合作用的高土石坝动力分析 摘 要:在土石坝施工、蓄水和遭遇地震时,流固耦合作用对土石坝的静动力响应有重要影响,应在计算分析中有所考虑。以糯扎渡高心墙堆石坝为例,选用莫尔库仑弹塑性模型来描述坝料的力学性质,并采用流固耦合的方法对该坝进行了静动力分析。静力分析中模拟了大坝施工和蓄水过程,然后基于静力分析得到的初始应力场,采用完全耦合的非线性方法研究了大坝的地震动力响应。该分析方法能够更为
2、合理准确地描述土石坝在地震动作用下残余变形的发展及超静孔压的累积和消散过程。计算结果表明:超静孔隙水压力随地震过程逐渐累积,最大值出现在心墙的底部;由于鞭梢效应,加速度放大系数在坝顶处达到最大;水平和竖直方向的永久变形同样都是在坝顶处达到最大值。关键词:流固耦合;土石坝;动力分析;初始应力场;施工;蓄水 中图分类号:TV641.1 文献标识码:A 文章编号:10004548(2015)11200707 作者简介:吴永康(1988),男,博士研究生,主要从事高土石坝数值分析方面的工作。E-mail:。Dynamic analyses of a high earth-rockfill dam co
3、nsidering effects of solid-fluid coupling Abstract:In the process of construction,impounding or action of earthquake,the solid-fluid coupling has a significant influence on the static and dynamic responses of earth-rockfill dams,which should be considered in the seismic analysis.Taking the Nuozhadu
4、high earth-rockfill dam as an example,static and seismic analyses are conducted by using the solid-fluid coupling method.The Mohr-Coulomb elasto-plastic model is employed to describe the mechanical properties of dam materials.The construction of the dam and the impounding of the reservoir are simula
5、ted in the static analysis,then on the basis of the static stress field,the dynamic response of the dam during an earthquake is investigated using the fully-coupled nonlinear method.The evolution of residual deformations and the accumulation and dissipation of excess pore water pressure can be calcu
6、lated more reasonably.The results show that the excess pore water pressure accumulates gradually with earthquake,and the maximum value occurs at the bottom of core.The acceleration amplification reaches the maximum at the crest as a result of whiplash effect.The horizontal and vertical permanent dis
7、placements both reach the maximum values at the dam crest.Key words:solid-fluid coupling;earth-rockfill dam;dynamic analysis;initial stress field;construction;impoundment 0 引 言 土石坝具有安全性、经济性和良好的适应性等诸多特点。随着社会需求的提高、施工技术的发展和对土石坝工程特性理解的不断深入1-4,高土石坝得到了广泛的应用和迅速发展,已成为非常有竞争力的坝型。随着中国西南部地区水能资源的开发,在地震活动频繁的喜马拉雅火
8、山地震带上,有很多已建、在建或筹建中的 200 m级甚至 300 m级的高土石坝。地震袭击是造成土石坝破坏的主要原因之一,破坏形式大致上分为:滑坡、液化、纵向开裂、横向开裂、过大变形和管涌等5。土石坝破坏,特别是 200 m级以上的高土石坝的破坏将严重威胁人民生命财产安全,因此进行合理的高土石坝地震动力响应分析具有重要的意义。由于土石坝是用堆石和黏性土等多种岩土材料构筑的结构物,且所处地形、地质条件复杂,所以分析和预测土石坝在施工、蓄水和地震作用等各种复杂工况下的响应存在诸多困难6-7。因此,现有的关于土石坝的理论和数值分析方法包含许多简化假设8。在早期的土石坝地震动力分析中,拟静力法9曾 基
9、金项目:国家自然科学基金项目(51379103,51179092);国家重点实验室项目(2013-KY-4)收稿日期:20140908*通讯作者 DOI:10.11779/CJGE201511010 2008 岩 土 工 程 学 报 2015 年 被广泛应用。该方法将坝体地震响应进行等效静力处理,具有简单、易于实现的特点。但是,这种方法也存在明显的缺点,如未考虑地震加速度时空分布的不均匀性。随着数值计算方法的发展及其在岩土工程中的应用,土石坝地震动力反应分析的研究取得了长足的进步,但总体上仍处于发展和探索阶段。基于不同的本构模型,土石坝的动力反应分析方法大体上可分为两大类:一类是基于等价黏弹性
10、模型的等效线性化方法;另一类是基于(黏)弹塑性模型的非线性分析方法。第一类方法概念简单、易于编程实现,故而在土石坝动力分析中得到了广泛应用。但该方法也存在明显的不足,如未考虑流固耦合作用,无法直接计算残余变形和孔压变化等。第二类方法又可分为黏弹塑性模型非线性分析方法和弹塑性模型非线性分析方法两种。黏弹性模型非线性分析方法采用了瞬态剪切模量、开放滞回圈和可移动的骨干曲线,可更好地反映非线性、滞后性和塑性变形10。弹塑性模型非线性分析方法采用动力弹塑性本构模型,结合真非线性分析方法,并运用动力固结理论,对加速度、残余变形和超静孔压进行实时分析。动力分析过程中不需引入残余应变和超静孔压的经验公式。该
11、方法在理论上更为合理,但由于应用经验较少且计算方法不成熟,目前对实际土石坝工程进行动力分析的主流方法仍然是等效线性化方法。截至目前,考虑流体和土骨架耦合作用的弹塑性地震动力分析在土石坝安全评价中并没有广泛应用。而且,动力计算所需的初始应力场往往忽略早期施工和水库蓄水的影响。考虑到流固耦合作用对土石坝的静动力响应产生明显的影响,本文采用了非线性流固耦合方法对糯扎渡高心墙堆石坝的静动力响应进行了研究。该方法不同于用经验公式计算永久位移和超静孔隙水压力的传统等效线性化方法11-13,可以直接给出这些结果,能够更为合理准确地描述土石坝在地震作用下残余变形的发展及超静孔压的累积和消散过程。本文首先介绍了
12、坝址和详细设计数据,包括材料分区、施工分级等,然后介绍了所采用的数值分析方法和土石体本构模型参数。在静力分析中,为考虑早期施工和蓄水的影响,采用空单元模型来模拟分级施工。之后,基于静力分析计算得到的初始应力场,采用 El Centro 地震的加速度来模拟地震运动,完成了耦合的非线性动力计算,给出并分析了地震动引起的超静孔隙水压力、加速度响应和永久位移等。从计算结果可以看出,应力、变形、孔压等物理指标的数值大小与实测结果吻合良好,分布情况符合一般规律,说明了本文所采用的分析方法可以较为准确地分析土石坝的静动力响应。1 研究背景 1.1 工程介绍 糯扎渡水电站位于云南省内澜沧江中下游河段,装机容量
13、 5850 MW,该工程主体挡水结构为 261.5 m高的心墙堆石坝,如图 1 所示。该坝是目前中国已建成的最高的土石坝。图 2 展示了大坝最大断面上的材料分区和实际的施工过程。心墙底部高程 562.6 m,坝顶高程 824.1 m;坝顶长 630 m,宽 18 m;上游和下游的坡度比分别为1.91 和 1.81。大坝于2008 年开工,2012 年末建成。图 1(c)展示了坝顶施工现场。图 1 糯扎渡大坝 Fig.1 Nuozhadu dam 图 2 材料分区和分级施工的最大断面 Fig.2 Maximum cross section with material zoning and con
14、struction stage 1.2 数值分析方法 心墙坝在施工、蓄水和地震过程中会受到流固耦合作用的重要影响,本文拟采用流固耦合的方法进行第 11 期 吴永康,等.考虑流固耦合作用的高土石坝动力分析 2009 静动力计算分析。流固耦合作用包括两个力学效应:一方面,根据有效应力原理,孔隙水压力的变化会影响土颗粒的力学响应;另一方面,土骨架的改变也会影响孔隙水压力的大小。用来描述土颗粒和水之间相互作用的控制微分方程包括本构方程、平衡方程、运移方程14,分别如下所示。(1)本构响应方程 多孔介质的本构响应形式为(,)ijijijijpHt ,(1)式中,ij为同轴应力率,p 为孔隙水压力,H 为
15、本构关系的函数形式,为历史参数,ij为克罗内克函数,为比奥系数,ij为应变率。孔隙流体的本构关系与孔隙水压力 p、饱和度 s、体应变随时间的变化量有关:11pn sMtststt ,(2)式中,M 为比奥模量,n 为孔隙率,为孔隙流体的体积变化量。(2)流体运移方程 流体的运移遵循达西定律。对于密度恒定流体和均质各向同性固体情况,该定律可以写成如下形式:f,()iiljjlqk k spx g ,(3)式中,qi为指定方向的流出量,k 为渗透系数张量,()k s为相对渗透系数,f为液体密度,gj为重力矢量指定方向的分量。(3)平衡方程 平衡方程包含两部分,质量平衡方程(即连续方程)和动量平衡方
16、程(即运动方程)。流体的质量平衡可以表示为,vi iqqt ,(4)式中,qv为流体单位时间流入量。动量平衡方程的形式为,ddiij jivgt ,(5)式中,sf(1)nns为单元体的密度,s为固体介质的密度。1.3 静动力本构模型 从算法角度来看,静力分析与动力分析的实质都是求解动力方程。静力分析可看作动力分析的特例,通过采用特定的阻尼达到进行静力分析的目的。在进行静力分析和动力分析时,采用了统一的本构模型来描述单元的应力应变关系。莫尔库仑弹塑性模型是一种用于反映岩土体剪切破坏的传统模型,该本构模型能够比较容易地模拟坝体地震时发生的塑性剪切变形15。以下对该模型进行简要介绍。(1)弹性增量
17、方程 该模型的弹性增量方程采用胡克定律的增量表达式:eee111223eee212213eee313212()()(),(6)式中,14/3KG,22/3KG,为由剪切模量和体积模量定义的材料参数。(2)破坏准则 该模型的破坏准则是含有抗拉强度的莫尔库仑准则,可以在13平面上反映出来14,如图 3 所示。图 3 莫尔-库仑破坏准则 Fig.3 Mohr-Coulomb failure criterion 强度包线 f(1,3)=0 从 A 点到 B 点是根据莫尔库仑强度准则由传统形式 f=tan+c 推得sf=0,从B点到C点是根据抗拉强度准则f t=0来定义的:s132fNc N,(7)tt
18、3f ,(8)其中,为内摩擦角,c 为黏聚力。t为抗拉强度,且有 N=(1+sin)/(1-sin)。(3)流动法则 势函数用两个函数来描述:gs和 gt分别对应剪切塑性流动和张拉塑性流动。函数 gs符合不相适应的流动法则,形式如下:s13gN ,(9)式中,是剪胀角,且有 N=(1+sin)/(1-sin)。函数 gt符合相适应的流动法则,形式如下:t3g 。(10)1.4 计算模型与参数 本文拟按照平面应变问题对糯扎渡大坝的静动力流固耦合问题进行求解。图 4 展示了坝体最大断面处的二维计算网格,该网格根据坝体的材料分区和施工分级(见图 2)进行划分,共有 648 个单元(含四边形单元和三角
19、形单元)、682 个节点。土石坝的各材料分区的土力学参数如表 1 所示。其中,干密度d、渗透系数 k 为设计参数,内摩擦角、黏聚力 c 和杨氏模量 E 通过三轴试验测定,泊松2010 岩 土 工 程 学 报 2015 年 比近似取经验值 0.3,剪胀角 按经验公式=25进行估算。图 4 数值网格和监测点 Fig.4 Numerical mesh and monitoring points 表 1 大坝土料的物理物理力学性质 Table 1 Material properties of earth dam soils 参数 RD1/RU1 RD2/RU2 RD3/RU3 F1 F2 黏土 干密度
20、/(kgm-3)2190 2310 2170 2000 2050 2120 杨氏模量/MPa 100 100 100 80 80 25 泊松比 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 黏聚力/kPa 141 114 106 127 105 73 内摩擦角/()40.8 39.0 42.8 40.2 39.4 27.1 剪胀角/()15.8 14.0 17.8 15.2 14.4 2.1 渗透系数/(cms-1)0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 1.010-6 本研究中,地震加速度采用 El Centro 地震的水平向地震加速度,竖直向地震加速度取为水平向地震加速度的 2/3。峰值
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高等土力学高等土力学 11 高等 土力学 11
限制150内