库水-淤砂层-坝体-坝基体系地震响应分析

针对我国西部水利工程结构面临的地震安全问题,特别是混凝土高拱坝的抗震安全设计,以小湾水电站混凝土高拱坝为研究对象,进行了库水-淤砂层-坝体-坝基体系的耦合动力分析,同时考虑了复杂的坝基地形、正常蓄水位的库水以及常年运行而堆积的淤沙层的影响。主要内容有:①基于传递矩阵法及二维有限元,实现了复杂峡谷地形的自由场计算;②基于水-饱和多孔介质-固体的统一计算框架,实现了库水-淤沙层-坝体-坝基体系的三维地震响应分析算法。最后,分别以脉冲波和地震波作为输入,探讨了小湾拱坝的地震响应规律及库水淤沙层对拱坝地震响应的影响。结果表明:坝体顶部中心区域会承受较大的拉、压应力;而库水底部淤砂层对坝体的位移及应力影响并不显著。

重力坝-库水-地基相互作用分析方法比较研究

对5种不同高度的重力坝分别采用流固耦合模型与附加质量模型进行了坝体-库水系统相互作用的时域地震动分析.将这两种模型计算所得动水压力结果与Westergaard公式解析解相比较可知,约70m高的中低重力坝采用Westergaard公式计算动水压力就能满足工程实际的要求;对于160m以上的中高重力坝,采用流固耦合模型计算库水作用及坝体动力响应较为接近现实情况.从坝体频率、位移、峰值加速度(PGA)三个方面的结果可以看出,附加质量模型模拟地震条件下库水对坝体作用较流固耦合模型有一定的夸大,对中高坝而言更为显著.地基对200m级高坝库水作用的影响非常明显,在计算坝体与库水相互作用时地基作用不可忽略;对于70m高的中低坝,地基作用可以不用考虑.

坝体-库水动力相互作用的数值求解格式

针对目前数值格式求解效率的不足,基于广义Newmark-β法,建立了求解坝体和库水流固耦合动力相互作用问题的2种新的数值求解格式:交错迭代法和直接积分整体求解法.导出了有限元求解公式,讨论了2种数值离散格式的特点,并结合实际工程计算比较了2种求解方法的计算效率.结果表明:2种方法均能有效地求解坝体-库水动力相互作用问题;在相同计算条件下,迭代法的计算规模要小,但花费的总机时长;整体求解法的计算效率更具优势.

基于声固耦合法的拱坝-库水-地基相互作用分析

为了研究拱坝库底吸收边界对坝面动水压力分布及坝体动力响应的影响,本文基于声固耦合法结合阻抗边界条件对库水表面重力波、库底吸收边界、坝体-库水交界面和库尾辐射边界进行模拟。建立了大岗山拱坝-库水-地基系统有限元模型,通过计算地震条件下不同库底反射系数的坝面动水压力及坝体动力响应,算例验证了提出模型的准确性。结果表明:库底反射系数越大,动水压力幅值越大,并且越靠近库底这种影响越明显。变库底反射系数和单一库底反射系数条件下的坝面动水压力分布及坝体动力响应相差较大,因此工程中在考虑库底吸收边界时可适当考虑变库底反射系数条件下的坝体动力响应。

基于SBFEM的坝-库水相互作用分析

将W o lf和Song提出的比例边界有限元法(sca led boundary fin ite e lem en t m ethod,简称SBFEM)应用于坝-库水相互作用分析.在库水不可压缩假定的前提下推导了坝面动水压力与附加质量矩阵的基本方程.二维重力坝和三维拱坝坝面动水压力的算例表明,与有限元法比较,SBFEM计算精度明显提高,同时由于具有降维的特点,计算工作量也在很大程度上有所节约.还分析了库底和水面坡度变化以及水库边界形状适当变化对动水压力分布和数值大小的影响.结果表明,一般情况下水库边界的变化对动水压力的分布形状基本上不发生影响,对动水压力数值大小也影响不大.

考虑动水压力和流固耦合的库水-坝体-地基系统建模与动力分析

结合动水压力模型和罚函数耦合算法,考虑地基和坝体结构的接触以及边界效应,构建动水压力和流固耦合作用下的库水-坝体-地基地震响应分析模型和方法。通过与试验结果及解析解和实测数据对比,验证了本文模型和方法能准确反映系统地震荷载和分析整体耦合系统的动力响应,引入罚函数处理流固耦合界面能提高计算收敛速度。进一步以某重力坝工程实际为背景,验证本文构建的模型和方法适用于库水-坝体-地基耦合系统动力分析的可行性,并分析了地震作用下地基变形对系统动力响应的影响。

坝体—地基—库水体系的动力有限元分析及其应用

基于动力有限元理论建立了坝体-地基-库水体系的数值模型,分析了库水和地基联合作用对结构动力响应的影响,探讨了计算过程中涉及的动力响应输入和地震波处理等相关问题,并以某水电站岸坡坝段为例,比较了坝体-地基-库水模型与传统附加质量-无质量地基模型的地震响应结果。结果表明,与传统附加质量-无质量地基模型相比,坝体-地基-库水模型的位移和应力均有较大的降低,可为设计安全储备提供参考。

基于FEM-SBFEM的坝-库水动力耦合简化分析方法

在坝-库水动力流固耦合分析中,比例边界有限元方法(SBFEM)仅需对流固交界面进行离散,就可以模拟半无限域库水,节省了节点自由度个数,具有较高效率。但采用数值方法处理动水压力时得到的附加质量阵为满阵,进行大规模的面板坝弹塑性动力分析时用于求解方程的时间较多。该文根据动水压力附加质量阵的物理意义与分布特点,提出了一种基于FEM-SBFEM的坝与库水的动力耦合简化计算方法,仅需提供一个保留系数β(0≤β≤1.0)即可实现不同程度的动水压力附加质量阵化简,简单易行;将其应用在面板坝与库水的动力弹塑性耦合计算中,建议了β的取值范围,在保证具有良好精度的前提下大幅提高了计算效率。

考虑可压缩库水作用混凝土拱坝的动力特性和地震反应分析

利用通用有限元软件ANSYS建立3种动力相互作用模型,研究考虑库水的可压缩和不可压缩效应对坝体地震反应的影响,不可压缩性效应采用Westergaard附加质量方法模拟,可压缩性效应通过流固耦合方法模拟,采用时程分析法得出库水对地震反应的影响。从分析结果可知,库水对拱坝的动力性能和抗震性能存在较大影响,不能忽略。

考虑库水可压缩性的高拱坝动力特性分析

结合实际工程给出了考虑库水可压缩性时高拱坝动力特性的数值求解方案。计算结果表明,库水的可压缩性对坝体的自振频率、振型参与系数和振型等动力特性均有较大的影响。考虑库水可压缩性之后,计算坝体动力特性时计算量略有增大,建议采用可压缩库水模型求解高拱坝的动力特性。

辽宁葠窝水库溢流坝段裂缝状态地震反应分析

以裂缝状态下辽宁葠窝水库混凝土重力坝为研究对象,选用混凝土弥散裂缝本构模型,模拟强震下坝体裂缝产生与破损的全过程;利用耦合的拉格朗日-欧拉有限元分析法,描述库水-坝体-基岩动力耦合非线性效应,建立了溢流坝段地震反应分析三维有限元模型。通过对数值模型输入El Centro波,考虑库水水位变化状况,分析了溢流坝段强震响应规律与破坏特征,据此评价溢流坝段的强震安全性。分析表明:由于坝体先期存在的裂缝影响,坝踵区、坝趾区、牛腿区及闸墩与溢流堰交汇区均易发生开裂破坏;先期存在的裂缝与混凝土老化及结构劣化,显著降低了闸墩的整体刚度、消弱了坝体局部强度,增大了溢流坝段的动力反应。

重力坝-库水-淤砂-地基系统动力分析的时域显式有限元模型

为了研究淤砂层对高坝地震反应的影响,建立了重力坝库水淤砂地基系统动力分析的二维时域显式有限元模型,其中将淤砂层模拟为液固两相介质,并严格考虑了坝体、库水、淤砂层和地基间的动力相互作用。该模型的特点在于不同类型介质都以位移向量为未知量,采用时域显式逐步积分方式求解,不需要求解联立方程,因此节省计算时间和内存,可以非常方便地用于坝体线性和非线性动力反应分析。文中还应用所建立的模型,分析了淤砂层饱和度及厚度对坝顶加速度反应的影响,结果表明淤砂层可能会对坝体反应产生重要影响。

流固耦合和地基辐射阻尼对乌东德拱坝地震响应的影响

在对乌东德拱坝进行动力时程分析过程中,考虑了坝体—库水—地基的动力相互作用和地基法向边界面上采用粘-弹性人工边界条件两方面的影响,与常规无质量地基模型的计算结果对比,流固耦合和地基辐射阻尼能使坝体的动力响应值分别降低20%和15%左右,地基辐射阻尼对乌东德拱坝动力响应的影响不显著。

库底饱和淤积砂层对高拱坝地震反应的影响研究

本文中采用时域显式有限元方法,将库底淤积砂层模拟为重流体,以小湾拱坝为例,分析可压缩库水条件下库底饱和淤积砂层对高拱坝地震反应的影响。计算结果表明,从总体上来说饱和淤砂层的存在对高拱坝地震反应影响较小,但是仍有一些局部反应的变化值得注意。

库底非饱和淤砂层对高拱坝地震反应的影响

采用时域显式有限元方法,将库底非饱和淤砂层近似模拟为不同于库水的流体介质。以小湾拱坝为例,分析可压缩库水条件下库底非饱和淤砂层对高拱坝地震反应的影响。计算结果表明非饱和淤砂层的存在有可能使得坝体地震响应增加。

重力坝动水压力模型试验的数值重构研究

由于试验设备及模型材料的限制,在重力坝动力模型试验中采用在坝体模型上游安置水箱内盛满水的方法模拟重力体-库水系统相互作用的效果存在误差。为此,采用流固耦合模型对重力坝动水压力模型试验进行数值重构分析的方法,研究了用上游水箱中盛满水模拟地震作用下原型库水对坝体动力作用产生误差的原因。研究结果表明,水箱内水体密度及可压缩性是导致试验中坝体-水库系统相互作用效果偏小的两个原因,其水体密度偏小更为主要因素。据此,提出了修正上述误差的三种可行且准确的方法。

库岸边坡失稳机理及处治措施研究

库岸边坡失稳一直是困扰我国工程界的一个重大问题。文章从水-岩相互作用出发,分析了库岸边坡失稳的机理;对库岸灾害形成的链式机理进行了分析,认为库岸涉水岸坡病害治理在综合采用基本的边坡处治技术的基础上,还应重点考虑同步排水降压、护坡防冲刷、反滤及疏导等断链减灾措施。

基于增量动力分析的混凝土重力坝抗震性能分析

基于性能的抗震设计理念,利用增量动力分析法(IDA)结合所建立的混凝土重力坝模型,根据分位分析结果评估重力坝抗震性能。以Koyna重力坝为例,分别建立以无质量地基法和附加质量法的传统模型和以黏弹性边界法和流固耦合法建立的坝体-地基-库水相互作用抗震分析模型。选取16条地震记录作为输入,选取地面峰值加速度作为地震强度指标、坝顶相对位移作为结构性能指标,以此为基础作IDA曲线。将两种模型分位分析结果进行对比,结果表明:针对不同保证率的地面峰值加速度(PGA),新模型总体安全冗余度高于传统模型10%～20%,以传统方法建立的抗震分析模型的计算结果偏于保守,Koyna大坝的极限抗震能力约为0. 45g,其功能保障水平约为0. 34g; IDA方法也将为今后大坝抗震设计提供一种新的思路。

重力坝动力分析黏弹性人工边界及其地震动输入处理方法

基于黏弹性人工边界理论,探讨了无厚度Goodman单元模拟黏弹性人工边界可行性,推导了与之相适应的地震动输入方式在有限元中的实现过程,并通过经典的Lamb算例和重力坝—地基—库水系统的地震动力反应实例进行验证。结果表明:该单元代替弹簧—阻尼器的方法,使黏弹性人工边界的施加方式更为简单,易于实现,操作性强,同时又能够保证计算精度和计算效率。与传统的无质量地基模型相比,本文的黏—弹性人工边界方法能够很好地考虑地基辐射阻尼的作用,更符合实际工程情况,从而可为同类工程的抗震分析提供参考。

考虑横缝非线性对沙牌拱坝动力响应的影响

强震作用下横缝的开合对拱坝的动力响应有着显著的影响。结合实际工程,依据最新的坝体参数资料,建立了考虑拱坝横缝非线性的有限元模型。用黏弹性人工边界计及地基的辐射阻尼效应,采用有限元混合法模拟横缝的非线性行为。给出了四种工况,从坝体的应力分布、顺河向位移及横缝的张开变化等角度,研究了橫缝非线性对沙牌拱坝动力响应的影响。结果表明:横缝的张开使坝体的拱向应力得到了明显的释放,拱梁之间存在着一定程度的应力重分布;随着库水位的降低,横缝的开度增大的趋势较为明显,但坝体顺河向位移的变化不是很明显。