考虑材料老化的加高重力坝地震动力响应分析

混凝土坝的动力响应随着混凝土龄期的增加、性能的退化会发生显著变化,而加高重力坝还受到新老混凝土材料差异的影响。为研究重力坝运行期材料老化和加高重力坝新老混凝土性能差异对地震作用下动力响应特性的影响,以加高的丹江口重力坝为例,利用ABAQUS有限元分析软件进行地震动力响应分析。同时,对比加高重力坝、拆除重建重力坝(即材料全新工况)以及按加高高度建造重力坝(即材料全老工况)3种工况下的地震响应情况,分析加高重力坝在地震动力下随着混凝土材料性能老化的坝顶位移、关键点应力和塑性损伤的响应。研究结果表明:随着混凝土材料老化程度增加,加高重力坝坝体的动力响应总体优于材料全老工况,同时劣于材料全新工况;其中坝体损伤呈经老坝折坡处后向新老混凝土结合面向下延伸的趋势。加高重力坝可适应结构变化后的受力和变形,同时兼具损伤破坏指标低、抗滑稳定性系数高的特点,坝体综合抗震性能得到提高。

地震波斜入射作用下重力坝地震响应分析

为了研究地震波斜入射作用下重力坝的地震响应,本文基于黏弹性边界及相应的地震动输入方法,分别推导了P波和SV波倾斜入射时的等效地震力,构建了考虑地震波斜入射的黏弹性静-动力统一型人工边界.以黄登混凝土坝为研究对象,研究了P波和SV波在不同斜入射角度下混凝土坝的地震响应,重点分析了重力坝在地震作用下的水平、竖直相对位移与主应力.研究结果表明:混凝土重力坝的地震响应中在斜入射情况下P波与SV波有明显的差异,考虑地震波的斜入射很有必要;P波斜入射时,随着入射角度的增加,坝体关键点的水平、竖直相对位移与主应力值逐渐增加(60°时达到最大);SV波斜入射时随着角度的增加关键点相对位移与坝体主应力变化不大,但整体来看入射角度为0°时(即垂直入射)与其他入射角度相比无论是竖直、水平相对位移或坝体关键点主应力均为最大.

考虑混凝土强度随机不均匀分布的重力坝动力损伤研究

重力坝所采用的大体积混凝土受到其固有特性、浇筑时的施工质量等影响容易导致强度的不均匀性。在目前的混凝土坝抗震分析中,一般将混凝土看成是一种强度分布均匀的材料,对于强度的不均匀性对大坝动力损伤的影响研究不多。基于混凝土塑性损伤理论及Weibull概率分布模型,采用Python语言对ABAQUS进行二次开发。在考虑混凝土塑性损伤的前提下,研究了混凝土强度随机不均匀分布对重力坝坝体和基岩损伤的影响。在计算中综合考虑了坝体和基岩的动力损伤、大坝与库水相互作用、无限地基辐射阻尼等,对比分析了坝体和基岩整体在各个不均匀度下震后损伤区域分布、坝体损伤面积比和损伤耗散能等动力响应,揭示了混凝土强度不均匀程度对大坝及基岩地震损伤的影响规律,研究结果可为重力坝相关的设计和施工提供参考。

翁结水库碾压混凝土重力坝动力特性及其抗滑稳定分析

重力坝是水利工程中最常用的主要水工建筑物之一,混凝土重力坝在地震作用下的动力稳定是坝工设计中的重要问题.本文以翁结碾压混凝土重力坝为对象,取位于河谷中的7、8号溢流坝段和9号非溢流坝段,建立三维有限元模型,通过计算分析了碾压混凝土重力坝在不同工况下的应力变形规律及抗滑稳定性.结果表明:静力荷载作用下,坝体位移符合重力坝一般规律,坝踵主拉应力范围较小;动力荷载作用下,位移等响应在坝顶达到最大,符合鞭鞘效应特征,同时坝体残余位移较小,坝体在一些部位出现瞬时拉应力超标现象,坝基塑性区未发生贯通;对7、8号坝段和9号坝段在建基面及碾压层面进行抗滑稳定验算,坝体坝基均满足稳定要求.

远场水下爆炸冲击作用下重力坝动力稳定性的简化时程分析方法

高坝大库的抗爆与防护是国防安全的重要研究课题。该文针对远场水下爆炸冲击作用下混凝土重力坝的稳定安全评价问题,研究了远场水下爆炸冲击波的传播及其与坝体的相互作用过程;基于波动理论和平面波假设,建立了重力坝爆炸动应力场的简化理论计算模型,最终建议了一种远场水下爆炸冲击波作用下重力坝动力稳定性的简化时程分析方法;同时结合工程实际,采用该方法对某混凝土重力坝的动力稳定性进行了分析。结果表明:在远场爆炸冲击荷载作用下,重力坝的稳定安全系数呈现出先增后减再增并最终保持恒定的变化规律;下游坝面反射形成的拉伸波与剪切波的共同作用是导致建基面稳定安全系数降低的主要原因。

施工期分层浇筑与温度荷载对重力坝坝踵应力影响研究

【目的】坝踵应力是评价重力坝安全的关键性控制指标。重力坝设计时自重按一次施加,并未考虑施工期大坝实际浇筑过程及温度荷载,因此,【方法】以三峡重力坝工程泄2坝段为例,基于大坝设计资料和温度监测数据,对大坝混凝土的关键热学参数进行反演。在此基础上,模拟大坝施工过程、材料性能变化过程、气温变化过程、纵缝接缝灌浆过程、通水冷却过程以及表面保温措施,进行大坝施工期全过程工作性态仿真分析,研究施工期分层浇筑与温度荷载对大坝应力尤其坝踵应力的影响。【结果】结果显示:仿真计算得到的监测点的温度变化规律与实测值吻合较好;分层浇筑模拟时自重产生的坝踵竖向压应力为7.32 MPa,自重一次施加产生的坝踵竖向压应力为7.70 MPa;施工期温度荷载引起坝踵观测部位的竖向压应力增量最大值为1.1 MPa。【结论】结果表明:自重荷载的施加方式对重力坝坝踵应力影响较小,分层浇筑自重荷载引起的坝踵竖向压应力略小于自重荷载一次施加的情况;纵缝接缝灌浆后坝体温度回升导致中块挤压上块,进而引起坝踵部位产生较大竖向压应力,这可部分解释目前重力坝实测坝踵应力多为较大压应力的原因。

重力坝地震断裂的多边形比例边界有限元模型研究

为研究重力坝的地震断裂破坏机理,基于线弹性断裂力学和多边形比例边界有限元法(Polygon SBFEM)提出一种全自动的重力坝动态断裂分析模型。该模型继承了SBFEM在断裂分析中高精度和高效率的优势,通过建立多边形比例边界有限单元广义动态应力强度因子的时域分析方法实现任意时刻断裂参数的求解,并结合裂缝扩展准则可实时判定裂缝稳定性;对达到临界状态的裂缝采用多边形网格局部重剖分技术,开发了考虑裂缝张开-闭合行为的动态接触模拟算法,进而实现了裂缝动态扩展高效自动化模拟。以Koyna重力坝为研究对象,考虑大坝库水动力相互作用,模拟了地震作用下坝体裂缝扩展过程,获得了断裂路径,验证了模型的正确性。其后,进一步探讨了数值模型中网格密度和裂缝扩展步长等因素的影响,结果显示仅用粗网格即可获得满意的计算结果,且三种裂缝扩展步长模拟的大坝裂缝扩展轨迹接近,但随着裂缝扩展步长增大,大坝更早失效破坏。研究成果可为混凝土坝的地震断裂分析提供有力的技术手段。

基于遗传算法的碾压混凝土重力坝温度场多测点反演

由于碾压混凝土重力坝施工现场条件复杂,实验获得的参数与实际参数存在一定的差异。为获得高精度的温度场仿真结果,根据某碾压混凝土重力坝现场实测温度数据,利用遗传算法反演该碾压混凝土坝的绝热温升Q 0、温升常数n和导热系数λ,并运用所得的反演参数进行温度场仿真模拟分析,对比不同测点个数下反演所得参数的可靠性和精确性。结果表明:通过遗传算法进行参数反演可有效提高反演的速度与精度,并且反演所依据的测点个数越多反演结果越接近实测数据,9个测点反演比3个测点反演误差减少了1.43%,比6个测点反演误差减少了0.44%。因此,在利用遗传算法进行参数反演时应尽量选择较多的测点个数,以提高仿真计算的精度。研究结果可为碾压混凝土重力坝热学参数反演提供理论指导和依据。

近断层主余震考虑斜入射下的重力坝响应分析

一次大的地震中一般存在主震和余震,当震源距离地面较近时,近断层主余震序列通常以某一角度斜入射至地基,因此只考虑地震波垂直入射的情况是不适合的,有必要考虑地震波在多个角度下斜入射的情况。选取3条近断层实测主余震序列,推导地震动P波斜入射界面等效节点力公式,并验证其可行性;以Koyna大坝为研究对象,研究了单个主震和主余震序列2种工况下入射角在0°~90°之间时的大坝地震响应,以位移、损伤指数、损伤耗散能3个指标对震后坝体破坏进行了分析,建立了局部损伤指数量化分析损伤程度。研究表明:近断层单个主震和主余震2种工况入射角在15°~75°之间时,大坝地震响应均大于垂直入射情况;在多种性能指标下,主余震序列下的地震响应均大于单个主震。

基于分区刚体-界面元方法的重力坝深层抗滑稳定分析

将坝体及坝基系统分界为可变形滑动界面、刚性滑动块体和刚性基床三部分,建立了基于滑动界面应力变形协调、分区刚体静力平衡的分区刚体—界面元分析方法,其未知量仅包含分区刚体变形及滑动界面上的接触力。结合基于极限平衡方程的迭代解法,可快速准确求解重力坝深层抗滑稳定安全系数。对局部滑面未知情形,可通过搜索求解最危险滑动面。该方法可同时满足上限极限分析的运动许可条件和下限极限分析的应力许可条件,克服了现有规范分析方法通过假定来满足下限极限分析条件的缺点。最后通过某重力坝深层抗滑稳定分析算例验证了该方法的准确性。

基于子模型法的地震作用下混凝土重力坝宏细观损伤破坏研究

大型水工混凝土结构易在结构突变部位出现应力集中现象,工程结构的整体失效破坏起源于局部区域的损伤积累和裂缝失稳扩展。为明确混凝土重力坝在地震荷载作用下的力学特性,采用子模型法构建了基于实际工程的重力坝坝踵高应力区的精细化模型。基于坝踵代表体的细观结构模型,研究了地震作用下重力坝局部受力变形特征以及损伤演变过程。研究结果表明:与宏观模型计算结果相比,细观子模型计算结果能够更真实地反映应力场,位移场,裂纹分布以及损伤演变过程。此外,研究发现细观结构内部的损伤发生时间早于宏观结构,表明宏观裂缝源于内部,混凝土结构破坏并非瞬间完成,而是由于其内部微细裂纹的演化形成更大的宏观裂缝导致。研究结果为重力坝宏观和细观尺度的损伤分布形式提供参考和借鉴。

近断层脉冲型SV波斜入射下混凝土重力坝损伤特性研究

近断层地震动由于断层距较小,在到达地表之前经历的透射次数不多,因此近断层地震动一般不满足垂直入射假定。近断层脉冲型SV波斜入射下混凝土重力坝抗震性能研究尚不多见。本文以Koyna重力坝为研究对象,开展了近断层地震动的脉冲型特性和斜入射对坝体抗震性能的影响研究。选择近断层脉冲型和非脉冲型地震动记录各5条,分析了地震动的脉冲特性和斜输入角度对坝顶位移、坝体损伤分布以及损伤耗能的影响规律。结果表明:脉冲型SV波在30°斜入射下,比非脉冲型SV波在0°(垂直)入射下坝顶水平顺河向位移提高了5.37倍,竖向位移提高了27倍;脉冲型SV波对坝体造成的损伤破坏范围比非脉冲型更广,主要出现在上游坝踵和下游折坡处,脉冲型整体损伤指标相比非脉冲型增大了1.71倍;脉冲型SV波作用下坝体最大损伤耗散能是非脉冲型的2.47倍,对坝体造成的损伤及能量耗散更大。本文研究结论可为近断层地震动作用下混凝土重力坝的抗震性能评价提供参考。

基于改进多目标布谷鸟算法的拦沙重力坝结构抗震优化

混凝土重力坝在强震作用下易出现结构安全问题,因而需采用合理经济的工程措施加以防护。将西北地区某拦沙重力坝作为研究对象,基于振型分解反应谱法分析大坝自振特性与动力响应,并综合考虑坝踵拉应力和抗震措施可变造价,采用改进多目标布谷鸟算法(MOCS)进行抗震设计方案的优化。此外,为提高算法性能,通过调整拥挤度距离计算公式、引进多项式变异算子以及动态步长和发现概率等方式进行改进。通过与其他多目标算法在不同测试函数上的对比试验,证明改进MOCS算法具备计算高效和解集均匀等优点。最后,根据Pareto最优解集,对重力坝的设计方案进行合理性评价,并提出工程建议。相关方法与结论对高烈度地震区混凝土重力坝的结构设计具有参考价值。

强震动随机性对重力坝动水压力影响研究

针对现行水工抗震规范推荐的动水作用计算方法未考虑地震动随机性的问题,研究了强震动随机性对动水压力的影响。首先以Westergaard级数解为基础,探讨声固耦合法模拟动水压力的可行性;然后以选取的25条天然波和生成的25条人工波为基础,研究强震动随机性对重力坝动水压力分布规律和最大值的影响。结果显示,Westergaard级数解仅适用低频激振力,声固耦合法对不同频率的激振力均适用;在动水压力分布规律方面,刚性地基情况下与Westergaard附加质量法规律一致,弹性地基情况下与规范推荐的动水压力系数规律相似;在强震动随机性影响方面,人工波随机性带来的动水压力最大值对均值的偏离程度为16.1%~22.2%,天然波随机性带来动水压力最大值对均值的偏离程度为39.4%~49.8%,天然波随机性对动水压力的影响是人工波的2.0~2.5倍。

底部基座对重力坝强震破坏模式的影响

我国西南地区某重力坝工程的左岸非溢流坝段采用独特的方形基座设计,考虑到该地区面临较高强震风险,评估底部基座对重力坝强震破坏模式和极限承载能力的影响十分必要。采用声学单元模拟库水,以弹塑性损伤模型模拟混凝土非线性特征,构建声固耦合-损伤模拟方法,并以Koyna重力坝为算例验证其可行性。随后以带基座坝段和常规坝段为对象,研究基座对重力坝强震破坏过程的影响。结果显示,带基座坝段与常规坝段均在上游折坡、坝踵、下游坝面区域出现破坏。底部基座对重力坝破坏过程的影响有:带基座坝段出现新的破坏区;底部基座有效减弱了坝踵破坏区的深度和面积;带基座坝段在下游坝面的破坏区出现2个发展方向。在抗震极限承载能力方面,常规坝段破坏区贯通对应地震动峰值加速度为0.50g~0.55g,带基座坝段提升至0.55g~0.60g,故底部基座设计提升了非溢流坝段的极限抗震承载能力。

基于监测数据的重力坝施工期-蓄水期-运行期工作性态仿真分析

在“双碳”背景下,由于抽水蓄能电站大坝初次蓄水后运行水位升降变化频繁,致使大坝不同阶段边界条件不断变化,其施工期-蓄水期-运行期工作性态值得重视和研究。针对这一问题,以周宁抽水蓄能碾压混凝土重力坝为例,结合监测数据分析和三维有限元仿真计算程序Saptis,对重力坝施工期-蓄水期-运行期工作性态进行全过程研究分析。结果表明:施工期混凝土实际监测温度与仿真计算温度过程基本吻合,混凝土最高温度受浇筑季节和材料分区影响,混凝土最大应力不超过1.5 MPa,满足抗裂要求;蓄水期水位以下混凝土表面温度基本等于库水温,随着库水温变化而发生周期性变化,水位变化区的混凝土变形和应力随着水位的变化而变化;长期运行后,大坝变形逐渐增大,坝顶最大可达到16 mm,大坝混凝土长期应力小于混凝土允许应力,抗裂安全满足要求。

单薄混凝土重力坝的静动力特性研究

混凝土重力坝作为挡水建筑物,已广泛应用于水利水电工程中,但对于体型单薄的混凝土重力坝,在运行过程中,特别是地震荷载作用下,容易出现应力集中和滑动失稳现象。该文依托石城子二级电站工程,采用有限元数值模拟方法,对其压力前池末端的单薄混凝土重力坝开展静动力特性研究,并基于有限元分析成果研究重力坝的抗滑稳定性。该研究成果对类似单薄混凝土重力坝工程具有参考价值。

堆石混凝土重力坝超声回弹试验研究

文章对某水库堆石混凝土重力坝力学性能等进行研究,采用超声回弹综合法检测。取与项目施工同样的材料,按照同样工艺条件成型、养护,在水库同样环境下浇筑堆石混凝土重力坝试验仓,切割加工成型大试件进行试验检测,获得对堆石混凝土重力坝强度、匀质性、密实度等性能规律,推导综合法测强曲线。研究结果确立了堆石混凝土超声回弹值合理范围。

国内100 m以上重力坝地基弹性参数与波速分析

为了解国内高重力坝赋存的地基情况并为场址波场信息研究提供基础数据,收集国内68座坝高100 m以上重力坝的相关信息,统计分析其地基弹性参数和波速参数的总体特征。结果显示,100 m以上重力坝的数量随着坝高增加迅速减少,国内坝高200 m以上的重力坝共3座。重力坝的空间分布呈现出不均匀性,在西南地区数量显著较多。在地基弹性参数方面,约93%100 m以上重力坝的地基弹性模在6~28 GPa,均值为16.7 GPa;泊松比的分布范围为0.17~0.32;密度的分布范围为2000~2900 kg/m^(3)。在波速方面,约96%的地基纵波波速在1500~3900 m/s,约95%的地基横波波速在800~2300 m/s。纵波波速的均值和标准差分别为2718、639 m/s,横波波速的均值和标准差分别为1574、383 m/s。

混凝土重力坝结构损伤机理及演化规律研究

混凝土重力坝作为水利工程的主要坝型,其结构损伤机理及演化规律研究对确保大坝安全性和稳定性具有重要意义。针对混凝土重力坝在承载作用下可能面临的温度应力损伤、收缩徐变损伤和疲劳损伤等问题,采用理论分析、实验研究和数值模拟等方法,对混凝土重力坝结构损伤机理进行了深入研究。基于损伤力学理论,明确了损伤状态变量,提出了各项异性弹性受损材料的本构模型,分析了混凝土材料的微观损伤机理和性能特点,揭示了混凝土重力坝在不同损伤阶段下的应力应变变化规律。