南非瓦尔河挡水围堰拆除稳定性分析

摘要

南非瓦尔河南水北调工程是主要解决南非的工业用水的重大工程，工程计划修建一座挡水围堰以便在围堰后进行泵站的修建，现在泵站已经修好需要引入河水使泵站开始运行。但是围堰距离泵站的闸门太近，一次爆破的很可能破坏闸门，经过研究设计出了一个分步骤拆除的方案。其具体的操作步骤是将围堰拆除分为四步，分部拆除围堰的锚块、底圈梁、中圈梁和顶圈梁。每一步拆除后都向围堰的下游注入相应高度的水量用来平衡上游面的水压力，使围堰的危险因素降到最低。但是国外监理怀疑该方案的安全性，认为围堰如果采用这种方案会有倒塌的危险。所以针对该结构的特点分别采用梁板法，拱梁分载法，有限单元法对其进行结构稳定性验算。求出了每个步骤中的安全系数，最后判断出围堰是安全的。
　　 梁板法先是把围堰简化成一个梁板结构，把防渗桩排成的结构看成是一个拱形板结构，再把三层拱圈看成是连续梁在板下面起支撑作用的结构。先根据结构的外形尺寸和结构配筋计算出结构的抗剪和抗弯能力，再将拆除过程分成四个步骤，分别计算四种情况下对应的最大的剪力和最大弯矩，再用结构的抗力和最大剪力和最大弯矩相比算出结构的安全系数，取其最小值，再和围堰的允许安全系数进行对比得出结构是安全的。
　　 采用工程类比的手法，将结构看成是做拱坝。将拱坝应力分析中通用的拱梁分载法应用到了围堰的计算上面。因为围堰两端和下部和基岩相接，是一个多次超静定的结构，水平方向上看是由一个个的水平拱圈叠合在一起，竖直方向上看是由很多悬臂梁接在一起。所以先用拱梁分载法算出他们各自分配的荷载，再算出各自的应力应变，然后和结构的能够承受的极限应力和应变相比较，求出其安全系数，然后和允许安全系数比较得出结构是安全的。
　　 用有限单元法，对四个步骤进行了分部模拟，依次对比每个步骤的上下游顺河向位移，垂直河向位移，最大主应力，最小应力和塑性区大小得出了他们的位移应力应变规律和塑性区的发展情况。最后用强度折减法对围堰周围的岩体进行强度的折减。通过计算不收敛或者塑性区贯通得到一个K的临界值，这就是就是围堰的安全系数，在和允许的安全系数进行对比得出了结构是安全的。
　　 通过上面的各种方法进行计算发现对结构采用这种分部拆除方案是安全可行的。

目录

文摘

英文文摘

第1章 工程背景

1.1 工程概况

1.2 围堰的特点

1.2.1 围堰的外形

1.2.2 结构内部配筋

1.3 围堰拆除设计

1.3.1 工程内容

1.3.2 爆破方案

1.3.3 爆破参数设计

1.4 围堰拆除爆破国内外研究现状

1.4.1 围堰拆除类型及拆除方法

1.4.2 围堰拆除爆破技术

1.5 研究目的和意义

1.6 主要内容

第2章 围堰稳定性分析方法

2.1 前言

2.2 拱梁分载法

2.2.1 概述

2.2.2 拱梁分载法基本原理

2.2.3 拱梁分载法方程的建立

2.3 刚体极限平衡法

2.3.1 概述

2.3.2 刚体极限平衡法的缺点

2.4 有限单元法

2.4.1 概述

2.4.2 有限单元法结构稳定性的分析

2.4.3 弹性问题的直接解法

2.4.4 有限元分析中用到的准则

2.4.5 拱体失稳判据

2.4.6 ANSYS分析问题的基本过程

2.4.7 材料非线性的分析过程

2.5 小结

第3章 围堰稳定性计算

3.1 梁板法对围堰稳定性的初步校核

3.1.1 围堰承载力计算

3.1.2 围堰的受力验算

3.1.3 分析结果

3.2 拱梁分载法对围堰的应力分析。

3.2.1 参数设置

3.2.2 结果分析

3.3 有限单元法对围堰数值模拟

3.3.1 有限元模型

3.3.2 材料的物理力学参数

3.3.3 计算荷载

3.3.4 结果分析

3.4 小结

第4章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录