清华大学张丙印-高面板堆石坝面板挤压破坏机制和模拟方法研究-第5届岩土力学与工程会2014

1、高面板堆石高面板堆石坝面坝面板挤压破坏板挤压破坏机制机制和和模拟方法模拟方法研究研究汇报人：张丙印汇报人：张丙印第五届中国水利水电岩土力学与工程学术第五届中国水利水电岩土力学与工程学术研讨会研讨会2014.09.19清华大学水利系清华大学水利系 岩土工程研究所岩土工程研究所1.1.研究背景研究背景2.2.面面板坝非线性接触数值模拟方法研究板坝非线性接触数值模拟方法研究3.3.挤压破坏机理挤压破坏机理分析分析- -接触接触转动转动挤压效应挤压效应4.4.面面板挤压破坏防止措施研究板挤压破坏防止措施研究5.5.研究结论研究结论1.1.研究研究背景背景汇报主要内容汇报主要内容高高面板堆石坝面板挤压破

2、坏面板堆石坝面板挤压破坏机制和机制和模拟方法研究模拟方法研究智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景我国西部地区水能资源丰富，已建、在建和拟建一批高坝大库的我国西部地区水能资源丰富，已建、在建和拟建一批高坝大库的大型水电站，由于交通及地形地质等条件的制约，超高心墙堆石坝大型水电站，由于交通及地形地质等条件的制约，超高心墙堆石坝或面板堆石坝的优势极其明显，近二十座或面板堆石坝的优势极其明显，近二十座将将其其作为代表性坝型作为代表性坝型水电基地工程名称黄河上游茨哈峡（254m）玛尔挡（210m）澜沧江糯扎渡（261.5m）古水（242m）如美（315m

3、）班达（222m）金沙江其宗（310m）岗托（229m）叶巴滩（240m）拉哇（227m）怒江马吉（270m）松塔（315m）同卡（205m）怒江桥（240m）罗拉（243m）雅砻江两河口（295m）大渡河双江口（314m）西南地区西南地区3智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景F对于这些重大水利水电工程，充分保证对于这些重大水利水电工程，充分保证其安全性是进行工程建设其安全性是进行工程建设的前提的前提F在面板堆石坝的结构中在面板堆石坝的结构中，面，面板是大坝防板是大坝防渗的主体渗的主体结构，其重要性毋庸置疑结构，其重要性毋庸置疑F国内外超高面板

4、堆石坝的工程实践表明，国内外超高面板堆石坝的工程实践表明，面板结构性破损问题已成为了影响超高面板结构性破损问题已成为了影响超高面板堆石坝安全的核心问题面板堆石坝安全的核心问题4智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山 (坝) 0+6861. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景n 面板压损破坏实例面板压损破坏实例- -我国天生桥坝（坝高我国天生桥坝（坝高178m178m）5智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景n 面板压损破坏实例面板压损破坏实例- -我国天生桥坝（坝高我国天生桥坝（坝高178m178m）6压损破坏形态压损破坏形态智者乐水智者

5、乐水 仁者乐山仁者乐山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景n 面板压损破坏实例面板压损破坏实例- -我国水布垭面板坝（坝高我国水布垭面板坝（坝高233m233m）20072007年年7 7月，面月，面板垂直缝两侧有表板垂直缝两侧有表面面脱皮和起脱皮和起壳现象，共计壳现象，共计4747处，处，主要在主要在R3R3、R9R9、R10R10、R11R11面板面板上上20092009年年8 8月，月，R4R4、R5R5面板之间垂直面板之间垂直缝两侧、缝两侧、R9R9左侧垂直左侧垂直缝表面缝表面出现出现起壳现象，起壳现象，高程高程375.6m-405m375.6m-405m2011201

6、1年年4 4月，月，R4R4、R5R5面面板垂直板垂直缝两缝两侧表面出现起壳现象，侧表面出现起壳现象，高程高程370m-370m-388m388m20122012年年4 4月月发现发现，R4R4、R5R5面面板垂直板垂直缝两侧起壳缝两侧起壳现象，现象，较严重的发生较严重的发生在高程在高程355m-367m355m-367m7参考文献：参考文献：罗亮等，土工膜在大坝面板挤压罗亮等，土工膜在大坝面板挤压破坏临时处理工程中的应用，破坏临时处理工程中的应用，大坝与安全大坝与安全 2013 2013年第年第2 2期期 智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景

7、n 面板压损破坏实例面板压损破坏实例8智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景n 面板压损破坏实例面板压损破坏实例9智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景n 面板压损破坏实例面板压损破坏实例10智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景高面板坝面板挤压破坏特征：高面板坝面板挤压破坏特征：11F发生发生在河谷部位的压性纵缝区，通常在河谷部位的压性纵缝区，通常位于河谷中央两侧附近的纵缝位于河谷中央两侧附近的纵缝上上F均发生均发生或首先发生或首先发生在在面板的顶部

8、面板的顶部部位部位F均均发生在纵缝两侧附近一个相对较窄发生在纵缝两侧附近一个相对较窄的宽度的宽度之内之内F通常通常发生或首先发生在面板的发生或首先发生在面板的表层表层智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景需要深入探讨的问题：需要深入探讨的问题：12首先首先发生挤压破坏发生挤压破坏F首先发生挤压破坏的位置通常不是计算最大挤压应力处首先发生挤压破坏的位置通常不是计算最大挤压应力处F混凝土极限压应变约混凝土极限压应变约30003000 1010-6-6，实测或计算面板轴，实测或计算面板轴向最向最大挤压应变大挤压应变一般为一般为400400 100010

9、00 1010-6 -6 ，即使，即使考虑面板顶部考虑面板顶部相对不利的受力条件，面板抗压也应是安全的相对不利的受力条件，面板抗压也应是安全的智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山汇报主要内容汇报主要内容高高面板堆石坝面板挤压破坏面板堆石坝面板挤压破坏机制和机制和模拟方法研究模拟方法研究1.1.研究背景研究背景2.2.面板坝非线性接触数值模拟方法研究面板坝非线性接触数值模拟方法研究3.3.挤压破坏机理分析挤压破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应4.4.面板挤压破坏防止措施研究面板挤压破坏防止措施研究5.5.研究结论研究结论2.2.面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方

10、法研究研究智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山2 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法14F 超高超高面板堆石坝面板结构破损发生机制和模拟方法面板堆石坝面板结构破损发生机制和模拟方法面板结构性面板结构性破破损损是是超高面板堆石坝研究超高面板堆石坝研究中中的重的重大大关键技术课题关键技术课题但但在在现有现有面板堆石坝计算方法中，面板应力的准确计算面板堆石坝计算方法中，面板应力的准确计算恰恰恰恰是是尚尚未解决的未解决的难点问题难点问题为此，迫切需要建立合理的能正确计算面板应力与模拟结构为此，迫切需要建立合理的能正确计算面板应力与模拟结构破损破损的数值计算方法的数值计算方

11、法1.1. 刚度差变化大刚度差变化大2.2. 接触位移不连续接触位移不连续 3.3. 单元划分形状差单元划分形状差4.4. 面板当作弹性面板当作弹性材料材料5.5. 复杂复杂的多体相互作用的多体相互作用 主要问题主要问题智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山152 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法F堆石体和面板接触特性模拟方法堆石体和面板接触特性模拟方法 F无厚度接触单元无厚度接触单元：用切向和法向劲度描述单元应力：用切向和法向劲度描述单元应力与相对位移之间的关系，与相对位移之间的关系，GoodmanGoodman单元单元F有厚度接触单元有厚度接触单元： 单元具有

12、一定的厚度单元具有一定的厚度 ，本构方，本构方程与其它实体单元相同，程与其它实体单元相同， DesaiDesai薄层单元薄层单元F双节点分离缝单元双节点分离缝单元： 采用采用无厚度无厚度形式形式。受拉时受拉时，缝，缝节点节点分离分离；受受压时，缝节点压时，缝节点重合重合F接触力接触力学分析方法学分析方法：物体间的相互作用问题：物体间的相互作用问题- -无穿透无穿透接触约束条件接触约束条件 + + 摩擦行为摩擦行为智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山162 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法F不同不同接触模拟方法比较接触模拟方法比较 脱空计算脱空计算面板脱空面板脱空

13、A A：薄层软单元：薄层软单元面板未脱空面板未脱空B B：接触力学方法：接触力学方法智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山172 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法F不同不同接触模拟方法比较接触模拟方法比较 接触应力分布接触应力分布8007807607407207006806406606206005806080 100 120 140 160 180 200 220 240 26001.5MPa+-水平距离 /m一期面板二期面板堆石体接触力学法Goodman 接触面单元薄层软单元法高程 /m1.1.GoodmanGoodman单元法：单元法：得到得到了震荡型的法向应

14、力分了震荡型的法向应力分布，且不易布，且不易消除消除2.2.薄层单元法：薄层单元法：脱空区出脱空区出现拉应力现拉应力3.3.非线性接触力学方法非线性接触力学方法：计算得到计算得到了分布了分布合理的合理的接触面法向应力的分布，接触面法向应力的分布，计算结果稳定计算结果稳定智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山2 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法18n 接触问题的一般描述接触问题的一般描述在有限元范畴内，现代接触分在有限元范畴内，现代接触分析算法的核心在于构建相应的析算法的核心在于构建相应的虚功原理虚功原理 0 0 BArrCttrIttrLttrttWWWW,int

15、 物体物体1物体物体2外荷载虚功：外荷载虚功：惯性力虚功：惯性力虚功：摩擦力虚功：摩擦力虚功：BArVttririttttrttSttririttttBArrLttLttrttrttdVufdSuTWW,BArVttriritrttBArrIttIttrttdVuuWW, cttrcttSttiAittBArSttririttBArrCttCttdSuFdSuFWW,智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山2 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法19AtQtQtPtPNtSPg, 0)(nxxPNtsPTtQTtPTtPTtFF0000PTtPTtPTtPTtPNtdP

16、TtQTtPTtPTtFFFF2）法向压力条件：）法向压力条件：3）摩擦力条件：）摩擦力条件：BtQNtAtPNtSQORSP, 0, 0FF静摩擦静摩擦滑动摩擦滑动摩擦分离分离粘结粘结滑移滑移1）不可贯入条件：）不可贯入条件：n 接触问题的一般描述接触问题的一般描述接触边界条件接触边界条件将不等式约束化为等式约束后求解将不等式约束化为等式约束后求解预设接触状态预设接触状态给出约束条件给出约束条件求解方程求解方程更新场量更新场量校核接触状态校核接触状态修改约束条件修改约束条件求解总体思想求解总体思想智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山2 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值

17、模拟方法20n 当代接触当代接触数值算法的主要数值算法的主要研究课题研究课题1.1.接触接触非线性方程的求解方法非线性方程的求解方法2.2.搜索搜索定位算法定位算法3.3.接触面接触面重建算法重建算法1.1.创建创建了基于局部坐标系下相对位移自由度的了基于局部坐标系下相对位移自由度的直接迭代法直接迭代法2.2.采用采用DCELDCEL数据结构描述接触面拓扑结构数据结构描述接触面拓扑结构3.3.创建创建了基于二维径向基点了基于二维径向基点插值法插值法的带预处理的带预处理过程的局部曲面重建算法过程的局部曲面重建算法n 本研究的主要发展本研究的主要发展智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山2 2. .

18、面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法21n 基于基于局部坐标系下相对位移自由度的直接局部坐标系下相对位移自由度的直接迭代法迭代法接触接触分析分析的的主要困难主要困难来自于接来自于接触非线性，触非线性，即接触边界即接触边界状态状态在在计算前是未知的计算前是未知的。与传统直接与传统直接迭代法迭代法相比，本文方法的优点：相比，本文方法的优点：uRuNufsusu局部坐标系下的相对位移局部坐标系下的相对位移整体坐标系下的绝对位移整体坐标系下的绝对位移通过简单的通过简单的乘大数乘大数法引入接法引入接触边界条件，传统触边界条件，传统的直接迭的直接迭代法代法则需采用罚函数形式则需采用罚函

19、数形式乘乘大数法对于误差的传递是大数法对于误差的传递是稳定的，而罚函数法则是不稳定的，而罚函数法则是不稳定的稳定的智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山22传统的邻接矩阵的生成时间复杂度为传统的邻接矩阵的生成时间复杂度为O(N2)，存储效率低，只，存储效率低，只能包含一类几何元素的邻接信息，算法灵活度小能包含一类几何元素的邻接信息，算法灵活度小DCEL的生成时间复杂度为的生成时间复杂度为O(N)，同时包含所有几何元素的，同时包含所有几何元素的邻接信息，存储效率高，算法灵活度高邻接信息，存储效率高，算法灵活度高n 采用采用DCELDCEL数据结构描述接触面数据结构描述接触面拓扑结构拓扑结构2 2.

20、. 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山232 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法n 基于基于二维径向基点二维径向基点插值法插值法的带预处理过程的的带预处理过程的局部曲面重建局部曲面重建算法算法bxPaxRxxx11)()()()()(umnTTjjjiiibPaR1.1.具有具有局部支持局部支持特性特性2.2.具有具有极强的网格极强的网格适应性适应性3.3.具有具有较强的几何较强的几何适应性适应性4.4.所得所得曲面满足任意阶曲面满足任意阶连续连续5.5.所得所得曲面具有曲面具有性质性质智者乐水智者乐水 仁

21、者乐山仁者乐山24n 接触接触搜索定位搜索定位算法算法2 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法1. 初始搜索初始搜索通过通过全局搜全局搜索索得到测试得到测试对对，进行，进行局部曲局部曲面面重建重建和和曲面定位曲面定位，根据，根据接触点对的距接触点对的距离离设置初始设置初始接触状态接触状态2. 追踪搜索追踪搜索增量步的增量步的开始需对开始需对局部曲面信息进行更局部曲面信息进行更新，进行试新，进行试定位和最终定位定位和最终定位试定位过程示意图试定位过程示意图智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山252 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法F分

22、片分片离散表面下的计算结果离散表面下的计算结果与软件与软件Marc的计算结果的计算结果一致一致F重建重建表面下的计算结果则明显改善了接触应力的振荡，这表面下的计算结果则明显改善了接触应力的振荡，这种振荡体现在空间和时间的分布上种振荡体现在空间和时间的分布上n 滑块滑块与滑槽间接触特性算与滑槽间接触特性算例例智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山262 2. . 面板面板坝非线性接触数值模拟方法坝非线性接触数值模拟方法n 面面板坝面板板坝面板脱空和应力算脱空和应力算例例计算计算网格和多体接触关系网格和多体接触关系1.1. 面板面板- -坝体以及面板坝体以及面板- -面板间多体接触问题面板间多体接触问

23、题2.2. 非线性接触，可更好非线性接触，可更好模拟大规模脱空、滑模拟大规模脱空、滑移等移等3.3. 面板和坝面板和坝体独立划分体独立划分单元，可解决面板单单元，可解决面板单元元划分划分形状差的问题形状差的问题智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山坝轴向位移坝轴向位移顺河向位移顺河向位移竖直沉降竖直沉降n 某高面板坝算例某高面板坝算例2 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法27智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山三期面板脱空值三期面板脱空值(mm)下垫面法向接触力下垫面法向接触力(MPa)2 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法n 某高面板

24、坝算例某高面板坝算例28智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山面板上表面坝轴向应力面板上表面坝轴向应力(MPa)最大压应力最大压应力约约13MPa最大拉应力最大拉应力约约8 8MPaMPa面板上表面顺坡向应力面板上表面顺坡向应力(MPa)2 2. . 面面板坝非线性接触数值模拟方法板坝非线性接触数值模拟方法n 某高面板坝算例某高面板坝算例29智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山汇报主要内容汇报主要内容高高面板堆石坝面板挤压破坏面板堆石坝面板挤压破坏机制和机制和模拟方法研究模拟方法研究1.1.研究背景研究背景2.2.面板坝非线性接触数值模拟方法研究面板坝非线性接触数值模拟方法研究3.3.挤压破坏机理分

25、析挤压破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应4.4.面板挤压破坏防止措施研究面板挤压破坏防止措施研究5.5.研究结论研究结论3.3.挤压挤压破坏机理分析破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山313 3. . 挤压挤压破坏机理分析破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应n 面面板纵缝的接触转动挤压效应及作用原理板纵缝的接触转动挤压效应及作用原理面板面板表面接触转动挤压表面接触转动挤压区区面板挠度面板挠度曲线曲线垫层垫层料摩擦力料摩擦力表面挤压应表面挤压应力集中区力集中区1.1. 面面板板具有厚度，河谷具有厚度，河谷处处接缝转动接

26、缝转动过程中过程中，会产生强烈的表面挤压，会产生强烈的表面挤压2.2. 转动后转动后面板面板处于不处于不均匀接触状态均匀接触状态，坝轴向挤压时在坝轴向挤压时在纵缝两侧表面纵缝两侧表面产产生应力集中区生应力集中区3.3. 影响因素：挠度影响因素：挠度+ +轴向水平位移轴向水平位移智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山323 3. . 挤压挤压破坏机理分析破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应n 基于基于多体非线性接触的接触转动挤压效应计算分析多体非线性接触的接触转动挤压效应计算分析面板面板垫层料，厚度4mS1p基于所基于所发展的多体非线性发展的多体非线性接触有限元计算方法，采接触有限元计

27、算方法，采用局部子模型进行用局部子模型进行了分析了分析论证论证在垫层在垫层料底部布置一个无料底部布置一个无摩擦的弹性支撑，在水压摩擦的弹性支撑，在水压作用下在中间作用下在中间位置位置可发生可发生较大的较大的法法向位移向位移F 多体相互作用问题，用普通有限元法难以进行模拟分析多体相互作用问题，用普通有限元法难以进行模拟分析智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山333 3. . 挤压挤压破坏机理分析破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应n 基于基于多体非线性接触的接触转动挤压效应计算分析多体非线性接触的接触转动挤压效应计算分析 整体整体网格网格局部局部网格网格节点节点:57923:5792

28、3单元单元:40833:40833面板厚度变化面板厚度变化按按 0.4+0.0035 0.4+0.0035H H接缝两侧适当加大网格密度，面接缝两侧适当加大网格密度，面板厚度板厚度方向分方向分5 5层层单元单元竖直缝为硬接触，摩擦系数为竖直缝为硬接触，摩擦系数为0.70.7垫层料和面板间为硬接触，摩擦系数为垫层料和面板间为硬接触，摩擦系数为0.750.75智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山343 3. . 挤压挤压破坏机理分析破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应n 方案方案1 1：面板接触：面板接触转动挤压转动挤压p面板垫层料面板面板逐步逐步增加作用在面板表面法向增加作用在面板表

29、面法向的分布力的分布力，在，在垫层料中发生中垫层料中发生中间大、两端小的法向位移间大、两端小的法向位移，造，造成成面板在接触缝处发生转动面板在接触缝处发生转动，面面板表面发生挤压板表面发生挤压根据根据天生天生桥面板坝计算桥面板坝计算结果，河谷附近面结果，河谷附近面板接缝处板接缝处的的转动转动度数约为度数约为0.14 0.18分分10个加载个加载步，步， P=30kPa/步步智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山353 3. . 挤压挤压破坏机理分析破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应n 方案方案1 1：面板接触：面板接触转动挤压转动挤压面面板板法向法向位移位移分布分布(mm)面面板板

30、接缝接缝面脱开量面脱开量(mm)轴轴向挤压向挤压应力应力 (MPa)（整体（整体面面板）板）面板两侧法面板两侧法向位移向位移差差47mm，面板转，面板转动度数动度数0.17，竖直，竖直缝的缝的下部脱开下部脱开轴轴向挤压向挤压应力应力 (MPa)（单边面板）（单边面板）面面板竖直板竖直缝上表面发生明显缝上表面发生明显的的应力集应力集中，最大坝中，最大坝轴向挤压轴向挤压应力约应力约21.0MPa智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山363 3. . 挤压挤压破坏机理分析破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应n 方案方案1 1：面板接触：面板接触转动挤压转动挤压面板表面最大挤面板表面最大挤压

31、应力压应力随随法向压法向压力力的的变化过程变化过程面板表面最大挤面板表面最大挤压应力压应力随随转动度转动度数数的的变化过程变化过程智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山373 3. . 挤压挤压破坏机理分析破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应n 方案方案2 2：轴：轴向挤压向挤压S1垫层料S1p面板面板2mm面板初始划分网格初始划分网格使接缝使接缝两侧面板下两侧面板下表面张开表面张开2mm2mm，模拟面板局部接模拟面板局部接触下的轴向挤压问题触下的轴向挤压问题面板表面最面板表面最大挤压大挤压应力应力的的变化过程变化过程F最大最大挤压应力挤压应力随着挤压位移增加逐渐增大，最大值随着挤压

32、位移增加逐渐增大，最大值25.0MPaF之后之后，由于切由于切向粘结应力向粘结应力达到达到极限极限粘结状态，转换粘结状态，转换为滑动摩为滑动摩擦应力擦应力，最大，最大挤压挤压应力变化不大应力变化不大智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山383 3. . 挤压挤压破坏机理分析破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应n 面面板纵缝的接触转动板纵缝的接触转动挤压效应挤压效应1.1.面面板接缝板接缝处转动处转动挤压挤压在在面面板上板上表面表面处处造成的造成的应应力集中力集中现象现象，应是应是造成造成面板发生接缝挤压破坏面板发生接缝挤压破坏的的原因原因2.2.面板挠度、面板挠度、坝坝轴向轴向水平水

33、平位移位移是主要的影响因素是主要的影响因素计算计算方案方案转动转动度数度数（）法向法向压力压力（kPa）最大最大挤压应力挤压应力（Mpa）应力应力集集中中系数系数BD0-PN00.1130013.33.4BD1-PN00.1730018.03.6BD2-PN00.2230020.94.7BD1-PN10.1750021.74.3BD1-PN20.1780024.85.8应力集中系数应力集中系数智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山汇报主要内容汇报主要内容高高面板堆石坝面板挤压破坏面板堆石坝面板挤压破坏机制和机制和模拟方法研究模拟方法研究1.1.研究背景研究背景2.2.面板坝非线性接触数值模拟方法研

34、究面板坝非线性接触数值模拟方法研究3.3.挤压破坏机理分析挤压破坏机理分析- -接触转动挤压效应接触转动挤压效应4.4.面板挤压破坏防止措施研究面板挤压破坏防止措施研究5.5.研究结论研究结论4.4.面面板挤压破坏防止措施研究板挤压破坏防止措施研究智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山4 4. . 面面板挤压破坏防止措施研究板挤压破坏防止措施研究n 基于基于多体接触的软接缝模型多体接触的软接缝模型d0面板面板 面板面板接缝填料接缝填料垫层料垫层料沥青纤维沥青纤维板试验板试验法向接触力法向接触力 F0.5d0接触位移接触位移 d模量模量E1模量模量E21.1.填缝材料填缝材料在狭窄面板接触竖缝中在狭

35、窄面板接触竖缝中，受强受强位移约束条件的限制位移约束条件的限制，会表现，会表现出强硬出强硬化化特性特性2.2.普通有限元计算模拟困难普通有限元计算模拟困难3.3.开发开发了基于多体接触的软接缝了基于多体接触的软接缝模模型，可型，可考虑不同缝考虑不同缝宽和不同填料接宽和不同填料接缝的本构特性缝的本构特性40智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山n 基于基于局部子模型的软接缝效果计算分析局部子模型的软接缝效果计算分析面板面板垫层料，厚度4mS1p面板面板垫层料，厚度4mS1p填缝材料F不同不同的接缝形式包括全的接缝形式包括全部硬缝、全部软缝和上部硬缝、全部软缝和上软下硬缝三软下硬缝三种种F填缝材料采用

36、所填缝材料采用所发展的发展的基于非线性接触基于非线性接触的纵缝的纵缝接触接触模型模型F接缝接缝填料填料模型参数：模型参数：填填缝材料模量缝材料模量E1=10MPaE1=10MPa，填料宽度填料宽度d d0 0=12mm=12mm4 4. . 面面板挤压破坏防止措施研究板挤压破坏防止措施研究41智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山42n 软接缝方案典型计算结果软接缝方案典型计算结果面面板接缝面的贯入量板接缝面的贯入量(mm)面面板的坝轴向应力分布板的坝轴向应力分布(MPa)最大最大挤压应力变化过程挤压应力变化过程F采用采用软软接缝后，缝接缝后，缝面发生了相互贯入面发生了相互贯入，顶部顶部贯入量贯入

37、量最大最大F面板面板转动转动度数与原方案基本相同，度数与原方案基本相同，但但缝面下部不出现缝面下部不出现脱开脱开F应力集中明显减小，应力集中明显减小，最大挤压应力为最大挤压应力为5.0kPa5.0kPa4 4. . 面面板挤压破坏防止措施研究板挤压破坏防止措施研究智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山43n 软接缝方案典型计算结果软接缝方案典型计算结果最大最大挤压应挤压应力变化过程力变化过程F软软缝材料可吸收相应的挤压位移，从而使面板的挤缝材料可吸收相应的挤压位移，从而使面板的挤压应力显著降低。压应力显著降低。但在但在超过了软缝材料可吸收的挤超过了软缝材料可吸收的挤压变形极限后，面板后续的挤压应力

38、仍可增长压变形极限后，面板后续的挤压应力仍可增长硬缝硬缝软软缝缝4 4. . 面面板挤压破坏防止措施研究板挤压破坏防止措施研究智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山44n 天生桥天生桥一级面板堆石坝不同接缝一级面板堆石坝不同接缝方案三维方案三维有限元对比分析有限元对比分析采用所采用所发展的多体非线性接触有限元发展的多体非线性接触有限元计算方法进行分析计算方法进行分析坝料坝料采用采用邓肯张邓肯张EBEB模型和经反演得到的模型模型和经反演得到的模型和和流变参数流变参数计算时间点：首次计算时间点：首次发生面板挤压发生面板挤压破坏（破坏（20032003年年7 7月）月）1 1）全）全硬缝硬缝方案方案2 2）1010条全软条全软缝方案缝方案节点数节点数27257单元数单元数17299软软缝宽度缝宽度16mm，初始段模量初始段模量5MPa，当当压缩压缩达到宽度达到宽度50%时，时，模量模量变为变为混凝土模量混凝土模量30000MPa。也即也即软缝极限软缝极限压缩变形为压缩变形为8mm4 4. . 面面板挤压破坏防止措施研究板挤压破坏防止措施研究1010条条软缝软缝设置区设置区智者乐水智者乐水 仁者乐山仁者乐山45n 20032003年年7 7月坝体变形计算结果月坝体变形计算结果坝坝轴向位移轴向位移/m顺河顺河向位