考虑材料参数空间变异性的面板堆石坝非侵入随机有限元方法研究

摘要

混凝土面板堆石坝已成为当前高坝大库的首选坝型。在世界各国水力水电资源开发进程中发挥了重要作用，国内外许多专家学者都肯定了其良好的发展前景，发展至今，无论在数量和高度上都明显增加，目前正向300m级高度发展。而面板堆石坝主要工程问题是坝体应力应变过大以及应力应变过大带来面板、接缝止水结构的破损，从而带来渗漏量过大，甚至渗透或冲蚀破坏的问题，影响面板和坝体的正常运行；除此之外，可靠度计算与随机有限元的结合在坝坡和坝体可靠度中的应用，是目前坝体和坝坡可靠度理论发展的趋势。因此，本文通过考虑材料参数的空间变异性，将随机有限元方法(SFEM)引入面板堆石坝应力应变计算，建立了基于MSC.Marc二次开发的面板堆石坝非侵入式随机有限元方法(NSFEM);为了更加科学全面地评估面板堆石坝的安全性态，将随机场理论与可靠度方法相结合，开发了基于随机有限元应力应变计算值的坝体点可靠度及抗剪破坏概率计算方法，并开发了基于Geostudio的坝坡稳定随机可靠度计算方法。主要研究内容和成果如下： (1)进行基于MSC.Marc二次开发的混凝土面板堆石坝NSFEM方法开发 首先，基于MSC.Marc进行堆石料E-B本构模型的二次开发，并结合有限元分析结果以验证二次开发的正确性；其次，在此基础上进行材料参数的随机场模拟，并进行“非侵入式”的开发；最后，将所开发方法应用到工程实例中，分析比较考虑材料参数空间变异性前后的面板堆石坝应力应变规律的异同。 (2)研究材料参数变异系数对坝体沉降值的影响规律 本文结合公伯峡混凝土面板堆石坝的沉降监测数据，研究了表征堆石料参数空间变异性特征的变异系数对堆石坝沉降值的影响规律。 （3）基于随机有限元应力应变计算结果的点可靠度计算 堆石坝应力水平是指实际所受应力与邓肯非线性强度包络线计算所得破坏强度的比 值。一般认为，应力水平大于1时，坝体出现剪切破坏。本文以应力水平大于1为“破坏”，应力水平小于1为“安全”，进行了坝体各单元剪切破坏概率的计算。 （4）进行基于Geostudio的坝坡稳定随机可靠度方法的开发 将随机场模拟方法与Geostudio的SLOPE模块相结合。计算考虑材料参数空间变异性的坝坡安全系数K，并认为K＜1为“破坏”，K＞1为“安全”，采用基于Latin超立方抽样的Monte Carlo法计算可靠度指标与坝坡滑动破坏概率。 （5）研究材料参数变异系数对安全系数，以及可靠度指标的影响规律 在保持其他分区其他材料参数的取值以及随机场特征值不变的前提下，通过改变某一个分区某一个材料参数的变异系数，得到相应的材料参数变异系数对安全系数与可靠度指标的影响规律。 本论文研究取得的相关成果，可以更加准确地得到堆石坝应力应变值、坝体及坝坡破坏概率与可靠度指标，以及采用本文所得变异系数—坝体响应值关系曲线，通过安全的坝体响应值确定堆石料的材料参数变异系数，从而对指导工程选材、坝体填筑、运行维护等具有一定的参考价值。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 随机场模拟方法的研究现状

1.2.2 随机有限元方法的研究现状

1.2.3 随机可靠度方法的研究现状

1.3 本文的研究内容及主要工作

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 基于MSC.Marc二次开发的堆石坝有限元分析

2.1 基于MSC.Marc的E-B本构模型二次开发

2.1.1 E-B本构模型

2.1.2 子程序二次开发过程

2.2 Morris法敏感性分析

2.2.1 Morris法敏感性分析原理

2.2.2 E-B本构模型参数敏感性分析

2.3 工程实例

2.4 本章小结

3 考虑材料参数空间变异性的面板堆石坝应力应变随机有限元方法研究

3.1 随机场模拟原理

3.1.1 随机场参数

3.1.2 相关对数正态随机场模拟原理

3.2 面板堆石坝非侵入式随机有限元法实现

3.3 工程实例

3.3.1 NSFEM方法实现

3.3.2 核密度估计（KDE）分析

3.3.3 计算结果分析

3.4 筑坝材料变异系数对沉降影响规律研究

3.5 本章小结

4 考虑参数空间变异性的面板堆石坝随机可靠度分析方法研究

4.1 面板堆石坝点可靠度分布规律研究

4.2 基于Geostudio的坝坡稳定随机可靠度方法研究

4.2.1 有限元滑面应力法

4.2.2Latin超立方抽样Monte Carlo法的可靠度计算方法

4.2.3 基于Geostudio的坝坡稳定随机可靠度方法开发

4.3 工程实例

4.3.1 参数随机场模拟

4.3.2 计算结果分析

4.4 材料参数变异系数对安全系数的影响规律研究

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果