有限元作业。
题目：面板堆石坝坝体应力变形分析。
专业水利工程
学号 20152205021
学生姓名陈志强
任课教师苏志敏
某砼面板堆石坝，水库总库容为2391.5万m，为中型水库。坝顶高程为1796.
30m，大坝最大坝高95m，坝顶长297.5m，宽10m。趾板建基面高程1757m，坝轴线处建基面最低1755.
80m，坝顶高程1850.80m，最大坝高95m，防浪墙顶高程1852.00m。
本工程坝址区出露岩层为白垩系高丰寺组（k1g）普昌河（k1p）紫色粉砂质泥岩与长石石英砂岩互层、局部为不等厚互层。根据堆石料场（长石石英砂岩、砂岩）岩石试验指标，岩体的单轴湿抗压强度值45.9~153.
5mpa，抗压强度指标较高，因此，该堆石坝主堆石区和下游堆石区（3d）填筑采用质量较好的石英砂岩，下游次堆石区（3c）填筑采用质量稍次的石英砂岩。拟定砼面板堆石坝上游坝坡为1:1.
4，下游坝坡1:1.4，在下游坝坡1820.
80m高程和1790.80m高程分设戗台，宽3.0m。
下游坝坡采用大块石护砌，水平厚度1.0m。
根据料源及对坝料强度、渗透性、压缩性、施工方便和经济合理等要求，将大坝坝体从上游到下游分为垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区，并在面板上游设坝前覆盖区。在周边缝下游侧设置特殊垫层区。坝体下游坡采用干砌石护砌。
上游覆盖区位于面板上游，顶高程1796.80m，水平宽度6.0m，主要为粘土和保护粘土稳定的石碴料。
垫层区（2a）顶高程1848m，水平宽3.0m，采用料场新鲜砂岩料轧制而成。过渡区（3a）顶高程与垫层区同高，水平宽4.
0m，采用料场新鲜、微风化砂岩爆破料、洞挖料。下游次堆石区（3c）顶部高程1820.80m，宽32m，堆石区上游坡比为1:
0.3倾向下游、下游坡1:1.
4；底面高程1770.80m，其下为下游堆石区（3d）。下游次堆石区（3c）选用溢洪道开挖碴料、料场新鲜~强风化下部砂岩爆破料。
图1.1 混凝土面板堆石坝材料分区图。
利用大型有限元软件ansys建立二维有限元模型（包括施工一期、施工二期模型及竣工运行期的整体混凝土面板堆石坝模型），其中坝体部分包括混凝土面板、主堆石料、上游铺盖聊、垫层料、过渡料及坝壳风化基岩层等，地基部分包括灌浆帷幕、固结灌浆及坝基岩层。根据该面板堆石坝坝体各施工期和运行期的设计体型图，用大型有限元软件建立二维的计算模型，如图2.2所示。
图2.1 大坝计算最大断面。
a）施工一期坝整体模型。
b）整体混凝土面板堆石坝模型。
c）整体混凝土面板堆石坝坝顶细部模型。
d）整体混凝土面板堆石坝坝底模型。
图2.2 各施工期及运行期混凝土面板堆石坝模型图。
通过建立二维平面有限元模型对该混凝土面板堆石坝工程最大断面进行静、动力组合工况下的非线性有限元应力变形分析，对该混凝土面板堆石坝施工一期坝体及竣工期坝体（未蓄水）进行二维非线性有限元分析，得出各个施工期静力工况下的大主应力分布形式见图5.1~5.2，小主应力分布形式，如图5.
3~5.4所示；该面板堆石坝坝体最小大主应力及最大小主应力值及其所在部位见表5.1所示。
由图.3可知该施工一期坝体的大主应力和小主应力的分布形式比较均匀，由坝体表面均匀地向坝体底部中心逐渐增加，至一期坝体底部中心部位增至最大值分别为0.45mpa和1.
03mpa。施工一期坝体主堆石区、面板垫层、过渡层均为出现拉应力，仅在灌浆混凝土盖板处出现较小的拉应力，不过0.05mpa。
由图5.2和5.4可知该混凝土面板堆石坝竣工期的大主应力和小主应力的分布形式为：
坝体主堆石去分布均匀，在上游面板垫层、过渡层及下游砌石护坡处出现大小应力的突变，大主应力变化的更为明显。总体上来看，竣工期坝体静力工况的大主应力分布为由坝体表面向底部中心逐渐减小，最大值为0.62mpa，小主应力由坝体表面向底部中心逐渐增加，最大值为1.
46mpa，如表5.1所示。下游下部马道下部砌石区出现较小拉应力，约0.
015mpa。
表5.1 该堆石坝各施工期坝体最大大主应力及最大小主应力值及其出现部位。
图5.1 该堆石坝施工一期静力工况下最大大主应力分布图。
图5.2 该堆石坝竣工期静力工况下最大大主应力分布图。
图5.3 该堆石坝施工一期静力工况下最大小主应力分布图。
图5.4 该堆石坝竣工期静力工况下最大小主应力分布图。
对该混凝土面板堆石坝各个施工期的二维非线性有限元分析得出门，该面板堆石坝一期坝体及竣工期坝体静力工况下顺河水平向位移分布形式见图5.5~5.6，竖直向沉降位移分布形式见图5.
7~5.8；该面板堆石坝施工期坝体最大顺河水平向位移及最大竖直向沉降位移及其所在部位见表5.2。
由图5.5可知，施工一期坝静力工况下的顺河水平向位移为由坝体中部向两侧上、下游坝坡产生逐渐增大的水平位移；由图5.6可知，竣工期坝体静力工况下的顺河水平向位移为由上游混凝土面板向下游逐渐减小。
该混凝土面板堆石坝一期坝体分别在上、下游坡面附近约为1770m高程处出现上游向最大水平位移约为0.75cm和下游向最大水平位移约为0.82cm；竣工坝在上游坡混凝土面板底部水平下游向位移1.
16cm，下游上部马道处上游向最大水平位移约为4.35cm，见表5.2可知。
由图5.7和5.8可知，施工一期坝体静力工况下的竖直向沉降位移是由坝体底部向上逐渐较均匀增加的，至坝体顶部中心达到最大值。
由表5.2可知，一期坝体竖直向沉降最大值位于坝顶中心位置，约为10.2cm；竣工期坝体竖直向沉降最大值位于坝体中轴线偏向上游1795m高程位置，约为19.
4cm。
表5.2 该堆石坝各施工期坝体最大大主应力及最大小主应力值及其出现部位。
图5.5 该堆石坝施工一期顺河向水平位移分布图。
图5.6 该堆石坝施工一期顺河向水平位移分布图。
图5.7 该堆石坝施工一期坝体竖直向位移分布图。
图5.8 该堆石坝竣工期坝体竖直向位移分布图。
经过二维非线性有限元分析，该混凝土面板堆石坝竣工运行期内各个特征水位及坝体自重的静力工况下的大主应力分布形式见图5.9~5.13，小应力分布形式见图5.
14~5.18；该面板堆石坝坝体最大大主应力及最大小主应力值及其所在部位见表5.3。
由图5.9~5.13可知，该竣工运行期混凝土面板堆石坝各个静力工况（各特征水位静水压力+自重）下的大主应力分布形式为：
主堆石区部分分布均匀，在上游面板垫层及过渡层处出现大应力的轻微突变。总体上看来，运行期面板堆石坝各个静力工况下大主应力分布为由坝体表面向面板底部逐渐增加，在上游垫层及过渡层处发生突然增大，坝中轴线底部偏向上游侧出现最小大主应力值，各个特征水位静力工况下的最小大主应力值如表5.3所示。
由图5.14~5.18可知，该竣工运行期混凝土面板堆石坝各个静力工况（各特征水位静水压力+自重）下的大主应力分布形式为：
由坝体上、下游表面向坝体内逐渐增加，直至坝中轴线底部小主应力达到最大值，各个特征水位静力工况下的最大小主应力值见表5.3。
表5.3 该堆石坝最小大主应力及最大小主应力值及其出现部位。
图5.9 该堆石坝自重+死水位工况下大主应力分布图。
图5.10 该堆石坝自重+正常水位工况下大主应力分布图。
图5.11 该堆石坝自重+设计水位工况下大主应力分布图。
图5.12 该堆石坝自重+校核水位工况下大主应力分布图。
图5.13 该堆石坝自重+骤降水位工况下大主应力分布图。
图5.14 该堆石坝自重+死水位工况下小主应力分布图。
图5.15 该堆石坝自重+正常水位工况下最大小主应力分布图。
图5.16 该堆石坝自重+设计水位工况下最大小主应力分布图。
图5.17 该堆石坝自重+校核水位工况下最大小主应力分布图。
图5.18 该堆石坝自重+骤降水位工况下最大小主应力分布图。
二维非线性有限元分析得出，该混凝土面板堆石坝竣工运行期内各个特征水位及坝体自重的静力工况下坝体的顺河水平向位移分布形式见图5.19~5.23，竖直向沉降位移分布形式见图5.
24~5.28；该面板堆石坝坝体最大顺河水平向位移及最大竖直向沉降位移及其所在部位见表5.4和表5.
5。由图5.19~5.23及表5.
4可知，该混凝土面板堆石坝在各个静力工况（各特征水位静水压力+自重）下的顺河水平向位移为：除死水位工况外，由坝体混凝土面板中部向下游倾斜，上游铺盖顶部（1802.5m高程）向下游位移最大，并向下游坝趾处逐渐减小。
混凝土面板堆石坝死水位工况作用下，最大下游向位移位于面板下部（1760m高程），并向下游面逐渐减小。混凝土面板堆石坝在各个静力工况（各特征水位静水压力+自重）下基本上未产生上游向的顺河水平向位移。
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