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我国水电开发正进入一个快速发展期,开发利用西部地区丰富的水能资源,需要修建高坝大库。但这些高坝工程大多处于高山峡谷地区,交通十分不便,使得混凝土面板堆石坝成为最具竞争力的坝型之一。修建超高(300m级)的混凝土面板堆石坝已经成为了一种必然趋势,随着混凝面板堆石坝越建越高,堆石体的长期变形越来越受到工程界的关注。许多完建的高混凝面板堆石坝的面板出现了不同程度的开裂破坏,这大多是由于设计、施工时未能预留充足的长期变形引起的,因此建立考虑堆石体长期变形的混凝土面板堆石坝应力变形有限元数值计算模型,获得坝体长期变形的分布变化规律,分析堆石体长期变形特性是十分必要的。而对于混凝土面板堆石坝来说,堆石体的长期变形主要包括流变变形和湿化变形等。 本文首先通过编制计入流变变形的子程序,对ABAQUS软件进行二次开发。程序中以邓肯-张E-B模型计算堆石体的瞬时变形,以七参数流变模型计算堆石体的流变变形。并以公伯峡混凝土面板堆石坝工程对子程序进行验证。结果表明:堆石体的流变变形作用会使坝体的应力变形有不同程度的增加,其中铅直位移的变化最为明显,且该计算结果与其他有限元流变变形计算结果相近。验证了编制的有限元流变子程序的合理性,为本文后续的研究奠定基础。 其次,本文利用“双线法”的原理进行混凝土面板堆石坝堆石体湿化变形的有限元计算,并通过公伯峡混凝土面板堆石坝工程实例对该方法进行验证。结果表明:湿化变形作用对大坝的应力场和位移场均有影响,应力及位移的极值均会有不同程度的增加,该计算结果与其他有限元湿化变形计算的结果相近。验证了该方法的合理性,为本文后续的研究奠定基础。 最后,建立玛尔挡混凝土面板堆石坝三维有限元模型,通过ABAQUS调用上述计入流变变形的子程序,并采用“双线法”计算堆石体的湿化变形,获得计入堆石体长期变形的混凝土面板堆石坝应力变形有限元计算结果,将该结果与不计入堆石体长期变形的有限元计算结果进行对比。结果表明:堆石体长期变形对坝体及面板的应力场及位移场均有影响。考虑堆石体长期变形之后,坝体的位移及大、小主应力的极值均有不同程度的增加,其中铅直位移变化较为明显,而沿坝轴线方向的位移的变化不大;面板的挠度、轴向位移、轴向应力以及顺坡向应力均增大。轴向应力的拉应力的范围增大,而压应力的范围有所减小,但是拉应力及压应力的极值均增大。 通过本文的研究发现,堆石体的长期变形对面板堆石坝坝体及面板的应力变形有着不可忽视的影响。在高面板堆石坝的设计和结构分析中应该考虑堆石体长期变形。