清華大學(xué)張丙印-高面板堆石壩面板擠壓破壞機(jī)制和模擬方法研究-第5屆巖土力學(xué)與工程會(huì)2014

1、高面板堆石高面板堆石壩面壩面板擠壓破壞板擠壓破壞機(jī)制機(jī)制和和模擬方法模擬方法研究研究匯報(bào)人：張丙印匯報(bào)人：張丙印第五屆中國(guó)水利水電巖土力學(xué)與工程學(xué)術(shù)第五屆中國(guó)水利水電巖土力學(xué)與工程學(xué)術(shù)研討會(huì)研討會(huì)2014.09.19清華大學(xué)水利系清華大學(xué)水利系 巖土工程研究所巖土工程研究所1.1.研究背景研究背景2.2.面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法研究板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法研究3.3.擠壓破壞機(jī)理擠壓破壞機(jī)理分析分析- -接觸接觸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)擠壓效應(yīng)4.4.面面板擠壓破壞防止措施研究板擠壓破壞防止措施研究5.5.研究結(jié)論研究結(jié)論1.1.研究研究背景背景匯報(bào)主要內(nèi)容匯報(bào)主要內(nèi)容高高面板堆石壩面板擠壓破

2、壞面板堆石壩面板擠壓破壞機(jī)制和機(jī)制和模擬方法研究模擬方法研究智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景我國(guó)西部地區(qū)水能資源豐富，已建、在建和擬建一批高壩大庫(kù)的我國(guó)西部地區(qū)水能資源豐富，已建、在建和擬建一批高壩大庫(kù)的大型水電站，由于交通及地形地質(zhì)等條件的制約，超高心墻堆石壩大型水電站，由于交通及地形地質(zhì)等條件的制約，超高心墻堆石壩或面板堆石壩的優(yōu)勢(shì)極其明顯，近二十座或面板堆石壩的優(yōu)勢(shì)極其明顯，近二十座將將其其作為代表性壩型作為代表性壩型水電基地工程名稱黃河上游茨哈峽（254m）瑪爾擋（210m）瀾滄江糯扎渡（261.5m）古水（242m）如美（315m

3、）班達(dá)（222m）金沙江其宗（310m）崗?fù)校?29m）葉巴灘（240m）拉哇（227m）怒江馬吉（270m）松塔（315m）同卡（205m）怒江橋（240m）羅拉（243m）雅礱江兩河口（295m）大渡河雙江口（314m）西南地區(qū)西南地區(qū)3智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景F對(duì)于這些重大水利水電工程，充分保證對(duì)于這些重大水利水電工程，充分保證其安全性是進(jìn)行工程建設(shè)其安全性是進(jìn)行工程建設(shè)的前提的前提F在面板堆石壩的結(jié)構(gòu)中在面板堆石壩的結(jié)構(gòu)中，面，面板是大壩防板是大壩防滲的主體滲的主體結(jié)構(gòu)，其重要性毋庸置疑結(jié)構(gòu)，其重要性毋庸置疑F國(guó)內(nèi)外超高面板

4、堆石壩的工程實(shí)踐表明，國(guó)內(nèi)外超高面板堆石壩的工程實(shí)踐表明，面板結(jié)構(gòu)性破損問題已成為了影響超高面板結(jié)構(gòu)性破損問題已成為了影響超高面板堆石壩安全的核心問題面板堆石壩安全的核心問題4智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山 (壩) 0+6861. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景n 面板壓損破壞實(shí)例面板壓損破壞實(shí)例- -我國(guó)天生橋壩（壩高我國(guó)天生橋壩（壩高178m178m）5智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景n 面板壓損破壞實(shí)例面板壓損破壞實(shí)例- -我國(guó)天生橋壩（壩高我國(guó)天生橋壩（壩高178m178m）6壓損破壞形態(tài)壓損破壞形態(tài)智者樂水智者

5、樂水 仁者樂山仁者樂山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景n 面板壓損破壞實(shí)例面板壓損破壞實(shí)例- -我國(guó)水布埡面板壩（壩高我國(guó)水布埡面板壩（壩高233m233m）20072007年年7 7月，面月，面板垂直縫兩側(cè)有表板垂直縫兩側(cè)有表面面脫皮和起脫皮和起殼現(xiàn)象，共計(jì)殼現(xiàn)象，共計(jì)4747處，處，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面板之間垂直面板之間垂直縫兩側(cè)、縫兩側(cè)、R9R9左側(cè)垂直左側(cè)垂直縫表面縫表面出現(xiàn)出現(xiàn)起殼現(xiàn)象，起殼現(xiàn)象，高程高程375.6m-405m375.6m-405m2011201

6、1年年4 4月，月，R4R4、R5R5面面板垂直板垂直縫兩縫兩側(cè)表面出現(xiàn)起殼現(xiàn)象，側(cè)表面出現(xiàn)起殼現(xiàn)象，高程高程370m-370m-388m388m20122012年年4 4月月發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，R4R4、R5R5面面板垂直板垂直縫兩側(cè)起殼縫兩側(cè)起殼現(xiàn)象，現(xiàn)象，較嚴(yán)重的發(fā)生較嚴(yán)重的發(fā)生在高程在高程355m-367m355m-367m7參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：羅亮等，土工膜在大壩面板擠壓羅亮等，土工膜在大壩面板擠壓破壞臨時(shí)處理工程中的應(yīng)用，破壞臨時(shí)處理工程中的應(yīng)用，大壩與安全大壩與安全 2013 2013年第年第2 2期期 智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景

7、n 面板壓損破壞實(shí)例面板壓損破壞實(shí)例8智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景n 面板壓損破壞實(shí)例面板壓損破壞實(shí)例9智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景n 面板壓損破壞實(shí)例面板壓損破壞實(shí)例10智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景高面板壩面板擠壓破壞特征：高面板壩面板擠壓破壞特征：11F發(fā)生發(fā)生在河谷部位的壓性縱縫區(qū)，通常在河谷部位的壓性縱縫區(qū)，通常位于河谷中央兩側(cè)附近的縱縫位于河谷中央兩側(cè)附近的縱縫上上F均發(fā)生均發(fā)生或首先發(fā)生或首先發(fā)生在在面板的頂部

8、面板的頂部部位部位F均均發(fā)生在縱縫兩側(cè)附近一個(gè)相對(duì)較窄發(fā)生在縱縫兩側(cè)附近一個(gè)相對(duì)較窄的寬度的寬度之內(nèi)之內(nèi)F通常通常發(fā)生或首先發(fā)生在面板的發(fā)生或首先發(fā)生在面板的表層表層智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山1. 1. 研究研究背景背景- - 工程背景工程背景需要深入探討的問題：需要深入探討的問題：12首先首先發(fā)生擠壓破壞發(fā)生擠壓破壞F首先發(fā)生擠壓破壞的位置通常不是計(jì)算最大擠壓應(yīng)力處首先發(fā)生擠壓破壞的位置通常不是計(jì)算最大擠壓應(yīng)力處F混凝土極限壓應(yīng)變約混凝土極限壓應(yīng)變約30003000 1010-6-6，實(shí)測(cè)或計(jì)算面板軸，實(shí)測(cè)或計(jì)算面板軸向最向最大擠壓應(yīng)變大擠壓應(yīng)變一般為一般為400400 100010

9、00 1010-6 -6 ，即使，即使考慮面板頂部考慮面板頂部相對(duì)不利的受力條件，面板抗壓也應(yīng)是安全的相對(duì)不利的受力條件，面板抗壓也應(yīng)是安全的智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山匯報(bào)主要內(nèi)容匯報(bào)主要內(nèi)容高高面板堆石壩面板擠壓破壞面板堆石壩面板擠壓破壞機(jī)制和機(jī)制和模擬方法研究模擬方法研究1.1.研究背景研究背景2.2.面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法研究面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法研究3.3.擠壓破壞機(jī)理分析擠壓破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)4.4.面板擠壓破壞防止措施研究面板擠壓破壞防止措施研究5.5.研究結(jié)論研究結(jié)論2.2.面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方

10、法研究研究智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山2 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法14F 超高超高面板堆石壩面板結(jié)構(gòu)破損發(fā)生機(jī)制和模擬方法面板堆石壩面板結(jié)構(gòu)破損發(fā)生機(jī)制和模擬方法面板結(jié)構(gòu)性面板結(jié)構(gòu)性破破損損是是超高面板堆石壩研究超高面板堆石壩研究中中的重的重大大關(guān)鍵技術(shù)課題關(guān)鍵技術(shù)課題但但在在現(xiàn)有現(xiàn)有面板堆石壩計(jì)算方法中，面板應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算面板堆石壩計(jì)算方法中，面板應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算恰恰恰恰是是尚尚未解決的未解決的難點(diǎn)問題難點(diǎn)問題為此，迫切需要建立合理的能正確計(jì)算面板應(yīng)力與模擬結(jié)構(gòu)為此，迫切需要建立合理的能正確計(jì)算面板應(yīng)力與模擬結(jié)構(gòu)破損破損的數(shù)值計(jì)算方法的數(shù)值計(jì)算方

11、法1.1. 剛度差變化大剛度差變化大2.2. 接觸位移不連續(xù)接觸位移不連續(xù) 3.3. 單元?jiǎng)澐中螤畈顔卧獎(jiǎng)澐中螤畈?.4. 面板當(dāng)作彈性面板當(dāng)作彈性材料材料5.5. 復(fù)雜復(fù)雜的多體相互作用的多體相互作用 主要問題主要問題智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山152 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法F堆石體和面板接觸特性模擬方法堆石體和面板接觸特性模擬方法 F無厚度接觸單元無厚度接觸單元：用切向和法向勁度描述單元應(yīng)力：用切向和法向勁度描述單元應(yīng)力與相對(duì)位移之間的關(guān)系，與相對(duì)位移之間的關(guān)系，GoodmanGoodman單元單元F有厚度接觸單元有厚度接觸單元： 單元具有

12、一定的厚度單元具有一定的厚度 ，本構(gòu)方，本構(gòu)方程與其它實(shí)體單元相同，程與其它實(shí)體單元相同， DesaiDesai薄層單元薄層單元F雙節(jié)點(diǎn)分離縫單元雙節(jié)點(diǎn)分離縫單元： 采用采用無厚度無厚度形式形式。受拉時(shí)受拉時(shí)，縫，縫節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)分離分離；受受壓時(shí)，縫節(jié)點(diǎn)壓時(shí)，縫節(jié)點(diǎn)重合重合F接觸力接觸力學(xué)分析方法學(xué)分析方法：物體間的相互作用問題：物體間的相互作用問題- -無穿透無穿透接觸約束條件接觸約束條件 + + 摩擦行為摩擦行為智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山162 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法F不同不同接觸模擬方法比較接觸模擬方法比較 脫空計(jì)算脫空計(jì)算面板脫空面板脫空

13、A A：薄層軟單元：薄層軟單元面板未脫空面板未脫空B B：接觸力學(xué)方法：接觸力學(xué)方法智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山172 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法F不同不同接觸模擬方法比較接觸模擬方法比較 接觸應(yīng)力分布接觸應(yīng)力分布8007807607407207006806406606206005806080 100 120 140 160 180 200 220 240 26001.5MPa+-水平距離 /m一期面板二期面板堆石體接觸力學(xué)法Goodman 接觸面單元薄層軟單元法高程 /m1.1.GoodmanGoodman單元法：?jiǎn)卧ǎ旱玫降玫搅苏鹗幮偷姆ㄏ驊?yīng)

14、力分了震蕩型的法向應(yīng)力分布，且不易布，且不易消除消除2.2.薄層單元法：薄層單元法：脫空區(qū)出脫空區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力現(xiàn)拉應(yīng)力3.3.非線性接觸力學(xué)方法非線性接觸力學(xué)方法：計(jì)算得到計(jì)算得到了分布了分布合理的合理的接觸面法向應(yīng)力的分布，接觸面法向應(yīng)力的分布，計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山2 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法18n 接觸問題的一般描述接觸問題的一般描述在有限元范疇內(nèi)，現(xiàn)代接觸分在有限元范疇內(nèi)，現(xiàn)代接觸分析算法的核心在于構(gòu)建相應(yīng)的析算法的核心在于構(gòu)建相應(yīng)的虛功原理虛功原理 0 0 BArrCttrIttrLttrttWWWW,int

15、 物體物體1物體物體2外荷載虛功：外荷載虛功：慣性力虛功：慣性力虛功：摩擦力虛功：摩擦力虛功：BArVttririttttrttSttririttttBArrLttLttrttrttdVufdSuTWW,BArVttriritrttBArrIttIttrttdVuuWW, cttrcttSttiAittBArSttririttBArrCttCttdSuFdSuFWW,智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山2 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法19AtQtQtPtPNtSPg, 0)(nxxPNtsPTtQTtPTtPTtFF0000PTtPTtPTtPTtPNtdP

16、TtQTtPTtPTtFFFF2）法向壓力條件：）法向壓力條件：3）摩擦力條件：）摩擦力條件：BtQNtAtPNtSQORSP, 0, 0FF靜摩擦靜摩擦滑動(dòng)摩擦滑動(dòng)摩擦分離分離粘結(jié)粘結(jié)滑移滑移1）不可貫入條件：）不可貫入條件：n 接觸問題的一般描述接觸問題的一般描述接觸邊界條件接觸邊界條件將不等式約束化為等式約束后求解將不等式約束化為等式約束后求解預(yù)設(shè)接觸狀態(tài)預(yù)設(shè)接觸狀態(tài)給出約束條件給出約束條件求解方程求解方程更新場(chǎng)量更新場(chǎng)量校核接觸狀態(tài)校核接觸狀態(tài)修改約束條件修改約束條件求解總體思想求解總體思想智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山2 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值

17、模擬方法20n 當(dāng)代接觸當(dāng)代接觸數(shù)值算法的主要數(shù)值算法的主要研究課題研究課題1.1.接觸接觸非線性方程的求解方法非線性方程的求解方法2.2.搜索搜索定位算法定位算法3.3.接觸面接觸面重建算法重建算法1.1.創(chuàng)建創(chuàng)建了基于局部坐標(biāo)系下相對(duì)位移自由度的了基于局部坐標(biāo)系下相對(duì)位移自由度的直接迭代法直接迭代法2.2.采用采用DCELDCEL數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述接觸面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述接觸面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.3.創(chuàng)建創(chuàng)建了基于二維徑向基點(diǎn)了基于二維徑向基點(diǎn)插值法插值法的帶預(yù)處理的帶預(yù)處理過程的局部曲面重建算法過程的局部曲面重建算法n 本研究的主要發(fā)展本研究的主要發(fā)展智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山2 2. .

18、面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法21n 基于基于局部坐標(biāo)系下相對(duì)位移自由度的直接局部坐標(biāo)系下相對(duì)位移自由度的直接迭代法迭代法接觸接觸分析分析的的主要困難主要困難來自于接來自于接觸非線性，觸非線性，即接觸邊界即接觸邊界狀態(tài)狀態(tài)在在計(jì)算前是未知的計(jì)算前是未知的。與傳統(tǒng)直接與傳統(tǒng)直接迭代法迭代法相比，本文方法的優(yōu)點(diǎn)：相比，本文方法的優(yōu)點(diǎn)：uRuNufsusu局部坐標(biāo)系下的相對(duì)位移局部坐標(biāo)系下的相對(duì)位移整體坐標(biāo)系下的絕對(duì)位移整體坐標(biāo)系下的絕對(duì)位移通過簡(jiǎn)單的通過簡(jiǎn)單的乘大數(shù)乘大數(shù)法引入接法引入接觸邊界條件，傳統(tǒng)觸邊界條件，傳統(tǒng)的直接迭的直接迭代法代法則需采用罰函數(shù)形式則需采用罰函

19、數(shù)形式乘乘大數(shù)法對(duì)于誤差的傳遞是大數(shù)法對(duì)于誤差的傳遞是穩(wěn)定的，而罰函數(shù)法則是不穩(wěn)定的，而罰函數(shù)法則是不穩(wěn)定的穩(wěn)定的智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山22傳統(tǒng)的鄰接矩陣的生成時(shí)間復(fù)雜度為傳統(tǒng)的鄰接矩陣的生成時(shí)間復(fù)雜度為O(N2)，存儲(chǔ)效率低，只，存儲(chǔ)效率低，只能包含一類幾何元素的鄰接信息，算法靈活度小能包含一類幾何元素的鄰接信息，算法靈活度小DCEL的生成時(shí)間復(fù)雜度為的生成時(shí)間復(fù)雜度為O(N)，同時(shí)包含所有幾何元素的，同時(shí)包含所有幾何元素的鄰接信息，存儲(chǔ)效率高，算法靈活度高鄰接信息，存儲(chǔ)效率高，算法靈活度高n 采用采用DCELDCEL數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述接觸面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述接觸面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2 2.

20、. 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山232 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法n 基于基于二維徑向基點(diǎn)二維徑向基點(diǎn)插值法插值法的帶預(yù)處理過程的的帶預(yù)處理過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.具有具有極強(qiáng)的網(wǎng)格極強(qiáng)的網(wǎng)格適應(yīng)性適應(yīng)性3.3.具有具有較強(qiáng)的幾何較強(qiáng)的幾何適應(yīng)性適應(yīng)性4.4.所得所得曲面滿足任意階曲面滿足任意階連續(xù)連續(xù)5.5.所得所得曲面具有曲面具有性質(zhì)性質(zhì)智者樂水智者樂水 仁

21、者樂山仁者樂山24n 接觸接觸搜索定位搜索定位算法算法2 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法1. 初始搜索初始搜索通過通過全局搜全局搜索索得到測(cè)試得到測(cè)試對(duì)對(duì)，進(jìn)行，進(jìn)行局部曲局部曲面面重建重建和和曲面定位曲面定位，根據(jù)，根據(jù)接觸點(diǎn)對(duì)的距接觸點(diǎn)對(duì)的距離離設(shè)置初始設(shè)置初始接觸狀態(tài)接觸狀態(tài)2. 追蹤搜索追蹤搜索增量步的增量步的開始需對(duì)開始需對(duì)局部曲面信息進(jìn)行更局部曲面信息進(jìn)行更新，進(jìn)行試新，進(jìn)行試定位和最終定位定位和最終定位試定位過程示意圖試定位過程示意圖智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山252 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法F分

22、片分片離散表面下的計(jì)算結(jié)果離散表面下的計(jì)算結(jié)果與軟件與軟件Marc的計(jì)算結(jié)果的計(jì)算結(jié)果一致一致F重建重建表面下的計(jì)算結(jié)果則明顯改善了接觸應(yīng)力的振蕩，這表面下的計(jì)算結(jié)果則明顯改善了接觸應(yīng)力的振蕩，這種振蕩體現(xiàn)在空間和時(shí)間的分布上種振蕩體現(xiàn)在空間和時(shí)間的分布上n 滑塊滑塊與滑槽間接觸特性算與滑槽間接觸特性算例例智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山262 2. . 面板面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法壩非線性接觸數(shù)值模擬方法n 面面板壩面板板壩面板脫空和應(yīng)力算脫空和應(yīng)力算例例計(jì)算計(jì)算網(wǎng)格和多體接觸關(guān)系網(wǎng)格和多體接觸關(guān)系1.1. 面板面板- -壩體以及面板壩體以及面板- -面板間多體接觸問題面板間多體接觸問

23、題2.2. 非線性接觸，可更好非線性接觸，可更好模擬大規(guī)模脫空、滑模擬大規(guī)模脫空、滑移等移等3.3. 面板和壩面板和壩體獨(dú)立劃分體獨(dú)立劃分單元，可解決面板單單元，可解決面板單元元?jiǎng)澐謩澐中螤畈畹膯栴}形狀差的問題智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山壩軸向位移壩軸向位移順河向位移順河向位移豎直沉降豎直沉降n 某高面板壩算例某高面板壩算例2 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法27智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山三期面板脫空值三期面板脫空值(mm)下墊面法向接觸力下墊面法向接觸力(MPa)2 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法n 某高面板

24、壩算例某高面板壩算例28智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山面板上表面壩軸向應(yīng)力面板上表面壩軸向應(yīng)力(MPa)最大壓應(yīng)力最大壓應(yīng)力約約13MPa最大拉應(yīng)力最大拉應(yīng)力約約8 8MPaMPa面板上表面順坡向應(yīng)力面板上表面順坡向應(yīng)力(MPa)2 2. . 面面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法n 某高面板壩算例某高面板壩算例29智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山匯報(bào)主要內(nèi)容匯報(bào)主要內(nèi)容高高面板堆石壩面板擠壓破壞面板堆石壩面板擠壓破壞機(jī)制和機(jī)制和模擬方法研究模擬方法研究1.1.研究背景研究背景2.2.面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法研究面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法研究3.3.擠壓破壞機(jī)理分

25、析擠壓破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)4.4.面板擠壓破壞防止措施研究面板擠壓破壞防止措施研究5.5.研究結(jié)論研究結(jié)論3.3.擠壓擠壓破壞機(jī)理分析破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山313 3. . 擠壓擠壓破壞機(jī)理分析破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)n 面面板縱縫的接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)及作用原理板縱縫的接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)及作用原理面板面板表面接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓表面接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓區(qū)區(qū)面板撓度面板撓度曲線曲線墊層墊層料摩擦力料摩擦力表面擠壓應(yīng)表面擠壓應(yīng)力集中區(qū)力集中區(qū)1.1. 面面板板具有厚度，河谷具有厚度，河谷處處接縫轉(zhuǎn)動(dòng)接

26、縫轉(zhuǎn)動(dòng)過程中過程中，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的表面擠壓，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的表面擠壓2.2. 轉(zhuǎn)動(dòng)后轉(zhuǎn)動(dòng)后面板面板處于不處于不均勻接觸狀態(tài)均勻接觸狀態(tài)，壩軸向擠壓時(shí)在壩軸向擠壓時(shí)在縱縫兩側(cè)表面縱縫兩側(cè)表面產(chǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)生應(yīng)力集中區(qū)3.3. 影響因素：撓度影響因素：撓度+ +軸向水平位移軸向水平位移智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山323 3. . 擠壓擠壓破壞機(jī)理分析破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)n 基于基于多體非線性接觸的接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)計(jì)算分析多體非線性接觸的接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)計(jì)算分析面板面板墊層料，厚度4mS1p基于所基于所發(fā)展的多體非線性發(fā)展的多體非線性接觸有限元計(jì)算方法，采接觸有限元計(jì)

27、算方法，采用局部子模型進(jìn)行用局部子模型進(jìn)行了分析了分析論證論證在墊層在墊層料底部布置一個(gè)無料底部布置一個(gè)無摩擦的彈性支撐，在水壓摩擦的彈性支撐，在水壓作用下在中間作用下在中間位置位置可發(fā)生可發(fā)生較大的較大的法法向位移向位移F 多體相互作用問題，用普通有限元法難以進(jìn)行模擬分析多體相互作用問題，用普通有限元法難以進(jìn)行模擬分析智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山333 3. . 擠壓擠壓破壞機(jī)理分析破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)n 基于基于多體非線性接觸的接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)計(jì)算分析多體非線性接觸的接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)計(jì)算分析 整體整體網(wǎng)格網(wǎng)格局部局部網(wǎng)格網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn):57923:5792

28、3單元單元:40833:40833面板厚度變化面板厚度變化按按 0.4+0.0035 0.4+0.0035H H接縫兩側(cè)適當(dāng)加大網(wǎng)格密度，面接縫兩側(cè)適當(dāng)加大網(wǎng)格密度，面板厚度板厚度方向分方向分5 5層層單元單元豎直縫為硬接觸，摩擦系數(shù)為豎直縫為硬接觸，摩擦系數(shù)為0.70.7墊層料和面板間為硬接觸，摩擦系數(shù)為墊層料和面板間為硬接觸，摩擦系數(shù)為0.750.75智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山343 3. . 擠壓擠壓破壞機(jī)理分析破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)n 方案方案1 1：面板接觸：面板接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓p面板墊層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，在墊層料中發(fā)生中墊層料中發(fā)生中間大、兩端小的法向位移間大、兩端小的法向位移，造，造成成面板在接觸縫處發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)面板在接觸縫處發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，面面板表面發(fā)生擠壓板表面發(fā)生擠壓根據(jù)根據(jù)天生天生橋面板壩計(jì)算橋面板壩計(jì)算結(jié)果，河谷附近面結(jié)果，河谷附近面板接縫處板接縫處的的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)約為度數(shù)約為0.14 0.18分分10個(gè)加載個(gè)加載步，步， P=30kPa/步步智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山353 3. . 擠壓擠壓破壞機(jī)理分析破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)n 方案方案1 1：面板接觸：面板接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓面面板板法向法向位移位移分布分布(mm)面面板板

30、接縫接縫面脫開量面脫開量(mm)軸軸向擠壓向擠壓應(yīng)力應(yīng)力 (MPa)（整體（整體面面板）板）面板兩側(cè)法面板兩側(cè)法向位移向位移差差47mm，面板轉(zhuǎn)，面板轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)動(dòng)度數(shù)0.17，豎直，豎直縫的縫的下部脫開下部脫開軸軸向擠壓向擠壓應(yīng)力應(yīng)力 (MPa)（單邊面板）（單邊面板）面面板豎直板豎直縫上表面發(fā)生明顯縫上表面發(fā)生明顯的的應(yīng)力集應(yīng)力集中，最大壩中，最大壩軸向擠壓軸向擠壓應(yīng)力約應(yīng)力約21.0MPa智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山363 3. . 擠壓擠壓破壞機(jī)理分析破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)n 方案方案1 1：面板接觸：面板接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓面板表面最大擠面板表面最大擠壓

31、應(yīng)力壓應(yīng)力隨隨法向壓法向壓力力的的變化過程變化過程面板表面最大擠面板表面最大擠壓應(yīng)力壓應(yīng)力隨隨轉(zhuǎn)動(dòng)度轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)數(shù)的的變化過程變化過程智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山373 3. . 擠壓擠壓破壞機(jī)理分析破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)n 方案方案2 2：軸：軸向擠壓向擠壓S1墊層料S1p面板面板2mm面板初始劃分網(wǎng)格初始劃分網(wǎng)格使接縫使接縫兩側(cè)面板下兩側(cè)面板下表面張開表面張開2mm2mm，模擬面板局部接模擬面板局部接觸下的軸向擠壓?jiǎn)栴}觸下的軸向擠壓?jiǎn)栴}面板表面最面板表面最大擠壓大擠壓應(yīng)力應(yīng)力的的變化過程變化過程F最大最大擠壓應(yīng)力擠壓應(yīng)力隨著擠壓位移增加逐漸增大，最大值隨著擠壓

32、位移增加逐漸增大，最大值25.0MPaF之后之后，由于切由于切向粘結(jié)應(yīng)力向粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到達(dá)到極限極限粘結(jié)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換粘結(jié)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)摩為滑動(dòng)摩擦應(yīng)力擦應(yīng)力，最大，最大擠壓擠壓應(yīng)力變化不大應(yīng)力變化不大智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山383 3. . 擠壓擠壓破壞機(jī)理分析破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)n 面面板縱縫的接觸轉(zhuǎn)動(dòng)板縱縫的接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)擠壓效應(yīng)1.1.面面板接縫板接縫處轉(zhuǎn)動(dòng)處轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓擠壓在在面面板上板上表面表面處處造成的造成的應(yīng)應(yīng)力集中力集中現(xiàn)象現(xiàn)象，應(yīng)是應(yīng)是造成造成面板發(fā)生接縫擠壓破壞面板發(fā)生接縫擠壓破壞的的原因原因2.2.面板撓度、面板撓度、壩壩軸向軸向水平水

33、平位移位移是主要的影響因素是主要的影響因素計(jì)算計(jì)算方案方案轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)度數(shù)（）法向法向壓力壓力（kPa）最大最大擠壓應(yīng)力擠壓應(yīng)力（Mpa）應(yīng)力應(yīng)力集集中中系數(shù)系數(shù)BD0-PN00.1130013.33.4BD1-PN00.1730018.03.6BD2-PN00.2230020.94.7BD1-PN10.1750021.74.3BD1-PN20.1780024.85.8應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山匯報(bào)主要內(nèi)容匯報(bào)主要內(nèi)容高高面板堆石壩面板擠壓破壞面板堆石壩面板擠壓破壞機(jī)制和機(jī)制和模擬方法研究模擬方法研究1.1.研究背景研究背景2.2.面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法研

34、究面板壩非線性接觸數(shù)值模擬方法研究3.3.擠壓破壞機(jī)理分析擠壓破壞機(jī)理分析- -接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)接觸轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓效應(yīng)4.4.面板擠壓破壞防止措施研究面板擠壓破壞防止措施研究5.5.研究結(jié)論研究結(jié)論4.4.面面板擠壓破壞防止措施研究板擠壓破壞防止措施研究智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山4 4. . 面面板擠壓破壞防止措施研究板擠壓破壞防止措施研究n 基于基于多體接觸的軟接縫模型多體接觸的軟接縫模型d0面板面板 面板面板接縫填料接縫填料墊層料墊層料瀝青纖維瀝青纖維板試驗(yàn)板試驗(yàn)法向接觸力法向接觸力 F0.5d0接觸位移接觸位移 d模量模量E1模量模量E21.1.填縫材料填縫材料在狹窄面板接觸豎縫中在狹

35、窄面板接觸豎縫中，受強(qiáng)受強(qiáng)位移約束條件的限制位移約束條件的限制，會(huì)表現(xiàn)，會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)硬出強(qiáng)硬化化特性特性2.2.普通有限元計(jì)算模擬困難普通有限元計(jì)算模擬困難3.3.開發(fā)開發(fā)了基于多體接觸的軟接縫了基于多體接觸的軟接縫模模型，可型，可考慮不同縫考慮不同縫寬和不同填料接寬和不同填料接縫的本構(gòu)特性縫的本構(gòu)特性40智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山n 基于基于局部子模型的軟接縫效果計(jì)算分析局部子模型的軟接縫效果計(jì)算分析面板面板墊層料，厚度4mS1p面板面板墊層料，厚度4mS1p填縫材料F不同不同的接縫形式包括全的接縫形式包括全部硬縫、全部軟縫和上部硬縫、全部軟縫和上軟下硬縫三軟下硬縫三種種F填縫材料采用

36、所填縫材料采用所發(fā)展的發(fā)展的基于非線性接觸基于非線性接觸的縱縫的縱縫接觸接觸模型模型F接縫接縫填料填料模型參數(shù)：模型參數(shù)：填填縫材料模量縫材料模量E1=10MPaE1=10MPa，填料寬度填料寬度d d0 0=12mm=12mm4 4. . 面面板擠壓破壞防止措施研究板擠壓破壞防止措施研究41智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山42n 軟接縫方案典型計(jì)算結(jié)果軟接縫方案典型計(jì)算結(jié)果面面板接縫面的貫入量板接縫面的貫入量(mm)面面板的壩軸向應(yīng)力分布板的壩軸向應(yīng)力分布(MPa)最大最大擠壓應(yīng)力變化過程擠壓應(yīng)力變化過程F采用采用軟軟接縫后，縫接縫后，縫面發(fā)生了相互貫入面發(fā)生了相互貫入，頂部頂部貫入量貫入

37、量最大最大F面板面板轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)與原方案基本相同，度數(shù)與原方案基本相同，但但縫面下部不出現(xiàn)縫面下部不出現(xiàn)脫開脫開F應(yīng)力集中明顯減小，應(yīng)力集中明顯減小，最大擠壓應(yīng)力為最大擠壓應(yīng)力為5.0kPa5.0kPa4 4. . 面面板擠壓破壞防止措施研究板擠壓破壞防止措施研究智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山43n 軟接縫方案典型計(jì)算結(jié)果軟接縫方案典型計(jì)算結(jié)果最大最大擠壓應(yīng)擠壓應(yīng)力變化過程力變化過程F軟軟縫材料可吸收相應(yīng)的擠壓位移，從而使面板的擠縫材料可吸收相應(yīng)的擠壓位移，從而使面板的擠壓應(yīng)力顯著降低。壓應(yīng)力顯著降低。但在但在超過了軟縫材料可吸收的擠超過了軟縫材料可吸收的擠壓變形極限后，面板后續(xù)的擠壓應(yīng)力

38、仍可增長(zhǎng)壓變形極限后，面板后續(xù)的擠壓應(yīng)力仍可增長(zhǎng)硬縫硬縫軟軟縫縫4 4. . 面面板擠壓破壞防止措施研究板擠壓破壞防止措施研究智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山44n 天生橋天生橋一級(jí)面板堆石壩不同接縫一級(jí)面板堆石壩不同接縫方案三維方案三維有限元對(duì)比分析有限元對(duì)比分析采用所采用所發(fā)展的多體非線性接觸有限元發(fā)展的多體非線性接觸有限元計(jì)算方法進(jìn)行分析計(jì)算方法進(jìn)行分析壩料壩料采用采用鄧肯張鄧肯張EBEB模型和經(jīng)反演得到的模型模型和經(jīng)反演得到的模型和和流變參數(shù)流變參數(shù)計(jì)算時(shí)間點(diǎn)：首次計(jì)算時(shí)間點(diǎn)：首次發(fā)生面板擠壓發(fā)生面板擠壓破壞（破壞（20032003年年7 7月）月）1 1）全）全硬縫硬縫方案方案2 2）1010條全軟條全軟縫方案縫方案節(jié)點(diǎn)數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)27257單元數(shù)單元數(shù)17299軟軟縫寬度縫寬度16mm，初始段模量初始段模量5MPa，當(dāng)當(dāng)壓縮壓縮達(dá)到寬度達(dá)到寬度50%時(shí)，時(shí)，模量模量變?yōu)樽優(yōu)榛炷聊Ａ炕炷聊Ａ?0000MPa。也即也即軟縫極限軟縫極限壓縮變形為壓縮變形為8mm4 4. . 面面板擠壓破壞防止措施研究板擠壓破壞防止措施研究1010條條軟縫軟縫設(shè)置區(qū)設(shè)置區(qū)智者樂水智者樂水 仁者樂山仁者樂山45n 20032003年年7 7月壩體變形計(jì)算結(jié)果月壩體變形計(jì)算結(jié)果壩壩軸向位移軸向位移/m順河順河向位移