青龙水库沥青混凝土心墙堆石坝坝料分区优化与静动力分析

作     者：吴涛 

作者单位：四川大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王琛;江启升

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：沥青混凝土心墙堆石坝 石渣料 坝料分区 优化 有限单元法 

摘      要：青龙水库为兴建于四川乐山马边县的小型水库,大坝坝型为沥青混凝土心墙堆石坝。四川盆地属红层地区,沥青混凝土心墙堆石坝坝壳料可充分利用当地材料,包括原岩为硬质岩的堆石料和较硬岩的石渣料。堆石料和石渣料变形存在差异,不合理的分区布置使坝体变形不协调,直接影响到心墙的安全。堆石料和石渣料的分区布置是设计重点问题之一,合理的规划分区布置可保证大坝更为良好的应力变形工作状态,从而增加心墙的安全性。堆石料相对石渣料开采难度大,材料单价高,堆石料用量直接影响坝体工程的经济指标,合理的分区布置亦可维持工程的经济性。因此,选取典型沥青混凝土心墙堆石坝为研究对象,在不增加堆石用量的基础上开展堆石料和石渣料的分区优化研究以提高心墙安全性,具有一定的工程应用价值,亦可为类似工程提供参考。本文选取青龙水库沥青混凝土心墙堆石坝为研究对象,基于不增加堆石料用量的原则,在初选坝料分区布置方案的基础上,拟定不同的石渣料和堆石料分区布置方案,并建立考虑应力变形状态的可综合评判分区优化效果的目标函数;基于二维有限元数值模拟对各分区布置方案进行应力变形分析,并结合目标函数选取最优的推荐分区方案;对推荐分区方案进行动力分析,进一步验证推荐方案的合理性。主要工作内容和结论如下:(1)参考初选坝料分区的布置方案,基于不增加堆石用量与总投资的前提,采用缩小下游堆石区尺寸并在上游下部新增一个堆石分区的方法另拟定了6个坝料分区方案,方案1～方案4用于分析下游堆石区范围对坝体和心墙应力变形场的影响,方案5～方案7用于分析上游坝壳下部设堆石区及其范围对坝体和心墙应力变形场的影响。(2)对各方案在完建和正常蓄水工况下的应力及变形特征值进行了有限元数值分析,结果表明各方案中坝体和心墙的应力位移场符合一般分布规律,坝体和心墙受力合理,发生压裂、拉裂破坏的可能性比较小;各方案应力及变形特征值的对比分析表明,随着下游堆石区尺寸的减小,坝体和心墙的应力及变形特征值逐渐增大;在上游下部增设堆石区可使坝体和心墙的位移及应力状态得到明显改善,且随着上游下部堆石区范围的逐渐增大,改善效果逐渐增强。(3)在仅考虑投资控制指标的目标函数中引入能反映各方案应力和变形特征值优化效果的修正系数,定义了青龙水库沥青混凝土心墙堆石坝分区优化的目标函数,可综合评价分区布置优化效果;对各方案的判别结果分析表明,方案6的优化效果最显著,应力变形状态的改善效果明显,同时该方案的堆石、石渣用量和原方案大致可平衡,投资指标得到控制;选取方案6为坝体分区优化的推荐方案。(4)基于二维有限元分析手段采用拟静力法对推荐坝料分区方案进行地震作用效应分析验证;在地震作用下坝体及心墙的顺河向位移较未考虑地震时增加较大,最大达48.8%;竖向位移与地震前差异不大,最大达5.51%;大小主应力略有增大,最大达19.5%;各应力和变形均在合理范围内,推荐方案在地震作用下的是安全的坝料分区方案。