碾压混凝土重力坝地震坝前动水压力研究

摘要

当今世界，原油价格持续高涨，作为可再生能源之一的水利发电，为解决我国可持续发展的能源瓶颈问题，正发挥越来越大的作用。在西部大开发国策的支持下，我国将在水利资源非常丰富，同时地震烈度较高的西南和西北强震区规划和修建一批水利水电工程，为东南和华南沿海地区提供电力，同时起到防洪、灌溉、引水、养殖等综合效益。大坝的工程浩大，投资巨大，大坝的抗震安全性能关系到下游广大地区工农业生产和人民生命财产的安全，因此，工程的安全级别很高，确定大坝在地震作用下的安全性具有特别重要的意义。 在水工抗震设计中，地震作用引起的坝前动水压力被当作一种重要的动力荷载来考虑。因此，研究坝前动水压力对大坝抗震安全性的影响具有重要的意义。本文以新疆喀拉苏克碾压混凝土重力坝的三维整体动力模型试验为基础，系统地对地震作用下碾压混凝土重力坝坝前动水压力的若干重要问题进行了试验研究及有限元数值分析。具体地，主要研究了以下几方面内容： 1介绍了库水-大坝系统在地震下的相互作用的理论基础以及动水压的一些目前的研究成果，方法和主要影响因素的分析。 2介绍了整体模型动力模型试验基础，包括相似理论，试验条件，模型材料，以及所作的试验工况，最后试验结果的整理与分析，包括动力特性以及动力反应特性的分析。 3对坝前动水压力进行了基于ADIDA8.2的数值模拟分析。通过对二维和三维流固耦合模型的数值计算，分析了坝高、地震动输入等级、地震动波形及河谷坡度对坝前动水压力的影响。 4通过对试验结果及有限元数值计算的对比分析，研究了坝前动水压力的基本特性，包括动水压力的沿坝高的分布形式，以及动水压力随地震动输入等级的变化趋势。 本文以具体工程为研究背景，详细地探讨了坝前动水压力对大坝抗震安全性的重要影响，得到的结论为碾压混凝土坝的抗震设计提供了有意义的参考因素。应该看到，地震作用下坝体动水压力的分析还是个复杂的问题，其中涉及的一些问题还需进一步进行不断地深入研究。

目录

文摘

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1绪论

1.1研究背景

1.2动力模型试验国内外研究现状

1.3动水压力的国内外研究现状

1.4本文的主要工作

2坝库相互作用的理论基础及研究状况

2.1坝库相互作用问题的特征

2.2坝库相互作用的分析方法

2.2.1解析法

2.2.2数值分析法

2.2.3混合分析法

2.3地震干扰下作用于坝面上的动水压力

2.3.1韦斯特伽特公式

2.3.2水库附加质量的有限元模型

2.3.3水体可压缩性对坝体动力反应的影响

2.4

2.4.1坝与地基的相互作用及地震波的方向对动水压力的影响

2.4.2库底边界条件对动水压力的影响

2.4.3库尾辐射边界条件对动水压力的影响

2.4.4表面重力波对动水压力的影响

2.4.5库水粘滞性对动水压力的影响

3动力模型试验基本理论和模型设计

3.1引言

3.2模型相似关系

3.2.1相似性概述

3.2.3相似定理

3.2.3相似理论

3.3模型的设计与制作

3.3.1模型介绍

3.3.2模型材料

3.3.3地震输入

3.3.4试验工况

3.3.5传感器布置

3.3.6喀拉苏克模型试验相似关系

3.4试验结果整理与分析

3.4.1不分缝整体模型坝基频

3.4.2整体模型坝阻尼比

3.4.3整体模型坝动力特性试验结果分析

3.4.4液压反应成果分析

3.5小结

4动水压力数值分析

4.1二维模型的动水压力分析

4.1.1有限元模型及地震波输入

4.1.2地震输入幅值对动水压力的影响

4.1.3动水压力受坝高的影响

4.1.4动水压力受坝面倾角的影响

4.2三维整体模型的动水压力分析

4.2.1有限元模型及地震动输入

4.2.2地震动幅值对动水压力的影响分析

4.2.3地震波波形对动水压力的影响分析

4.2.4河谷的角度对坝前动水压力的影响分析

4.3小结

5模型试验与数值计算结果的对比分析

5.1可比性的验证

5.2动力特性的对比分析

5.3动水压力的对比分析

5.3.1动水压力沿坝高的变化

5.3.2动水压力随地震动输入的变化

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研项目以及发表学术论文情况

致 谢