基于高阶时域人工边界条件的坝-水相互作用分析方法

在大坝的抗震分析和设计中,应该考虑大坝与半无限库水之间的动力相互作用。地震作用下结构与可压缩水之间动力相互作用分析的关键问题是模拟波在无限域水中的传播。基于一种稳定且便于工程应用的时空局部高阶人工边界条件,建立地震作用下坝-水相互作用的有限元分析方法。该时域整体分析方法恒稳定,且对倾斜坝面或有库底淤积泥砂等复杂工况下的坝-水相互作用分析都具有高精度。通过数值算例揭示了坝面坡角和淤砂层厚度对刚性坝面动水力的影响:动水压力最不利位置约靠近坝水交界面底部,坝面底部动水力峰值随坝面坡角的增大而增大,垂直坝面的坝底动水力峰值最大。另外,淤积泥砂有吸收库水地震反应能量的吸能作用,淤砂层越厚,吸能效果越明显。

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.

海绵吸收层法在坝-库水瞬态动力相互作用分析中的应用

将海绵层与Sommerfeld人工边界结合起来模拟无穷水库的辐射阻尼效应,并结合有限元法在时域内分析坝—库水动力相互作用。计算了刚性坝面瞬态动水压力及柔性坝—库水动力相互作用的分析,结果说明这种方法在时域内模拟无穷水库动水压力波向上游的辐射阻尼效应是适合的。但需注意海绵层的体积阻力系数不能取得太大。

地震作用下水库坝体与水体相互作用数值模拟

地震作用下水库坝体受迫振动,推动坝后水体波动,造成水体动压作用于坝体,形成坝-水耦合作用,影响坝体安全。为了评估坝体振动引起的水面波动及坝体所受动水荷载作用,建立坝体动边界条件下的不可压水体运动数学模型,模拟了地震波作用下的坝后水体波动和动力荷载。结果表明,在忽略坝体自身弹性变形的条件下,地震作用下坝体激发的水体表面波动、波高和波能随地震波振幅增大呈线性增长;波高随水深呈非线性增长;坝体所受动水压力主要来自附加质量力和静水压力,地震作用下库区地面的水平运动对涌浪波高和坝体动水压力影响较弱。

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。

深覆盖层上心墙堆石坝动力分析中库水影响研究

应用有限元方法对深覆盖层地基和岩石地基上的堆石坝分别进行计及和忽略动水压力的动力分析， 探讨了针对堆石坝而异于混凝土坝与库水相互作用的一些规律， 并对此作出物理成因解释， 较系统地研究了动水压力对深覆盖层地基上的心墙堆石坝动力响应的影响。

大坝坝址地下水质的演变及其示踪意义——以新安江大坝为例

蓄水条件下 ,坝址渗流场内液 固两相间的物理化学作用由于人类工程活动而趋于更加的广泛、深入而剧烈 ,从而导致场内地下水质的复杂多变。本文以新安江水电站为例 ,论述了坝址区地下水质演变的基本特征 ,如水的酸碱度的异常变化 (pH =6 3 2～ 11 5 5 )、水质组分存在形式的多样性、以及水化学类型的多样性等 ,强调了大坝工程对于地下水质的演变所施加的影响。此外 ,还揭示了区内地下水质演变所具有的示踪意义 ,即不仅反映了水 岩系列间的相互作用 ,而且还反映了坝址渗流的宏观动态以及坝踵帷幕体的防渗效果及其时效。

地震作用下重力坝动水压力的高精度时域公式

提出一种计算直立坝面上地震动水压力的高精度时域公式,与坝体有限元模型结合用于考虑坝-水动力相互作用,避免半无限库水区域的数值模拟。在频域内,基于库水区域分离变量解析解和坝-水交界面条件推导精确的坝面动水力-坝面绝对水平运动关系,之后利用作者已经提出的时间卷积局部化方法将该关系转化为含有辅助变量的高阶精度时域公式。该公式的时空离散形式与坝体有限元模型的耦合方程,可以采用显式时间积分方法求解。为了能够利用商用有限元平台分析非线性坝体-库水动力相互作用问题,在ABAQUS有限元软件中通过UEL用户单元子程序二次开发实现了提出的动水力公式,公式用户单元在有限元建模阶段与坝体有限元模型无缝结合,后续动力计算过程中无须重启动等任何特别处理。刚性坝面地震动水压力分析表明,提出公式的计算结果稳定,并与解析解较好吻合;之后将该公式应用于Koyna重力坝地震反应分析。