混凝土面板堆石坝渗流场与应力场的耦合分析

摘要

本文基于达西定律,系统地阐述了考虑堆石体渗透正交异性的渗流有限元计算原理,对渗流场与温度场计算原理的相似性进行了对比分析,论证提出了基于通用软件的温度场计算模块进行渗流场分析的基本方法,并结合某一面板堆石坝算例,利用通用软件进行了大坝渗流场的模拟分析.利用通用软件的二次开发平台,在材料库中加入了邓肯-张E-B本构模型,获得了基于通用软件进行面板堆石坝应力变形三维有限元计算的有效途径.以堆石体孔隙率作为桥梁,对多孔岩土介质渗透系数与其体积应变之间的数学表达式进行了分析推导,建立了多孔岩土介质渗流场与应力场耦合的数学模型.最后,结合公伯峡水电站面板堆石坝,基于上述研究成果,针对是否考虑堆石体渗流场与应力场耦合这两种情况,进行了大坝渗流场及应力场的三维有限元分析计算,获得了上述两种情况下大坝渗流场及应力场的分布与变化规律,并将计算结果与工程实测结果进行了对比分析.

目录

文摘

英文文摘

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1研究背景及意义

1.1混凝土面板堆石坝的发展概况

1.2面板堆石坝渗流分析研究现状

1.3堆石体应力变形研究现状

1.4堆石体的渗流场与应力场耦合研究现状

1.5研究目的

1.6本文的主要内容

2考虑堆石体渗透正交异性的面板堆石坝渗流分析

2.1渗流的基本理论

2.1.1达西定律

2.1.2连续性方程

2.2渗流计算的数学模型

2.2.1渗流基本微分方程

2.2.2定解条件

2.3渗流分析的有限元法计算原理及实施步骤

2.3.1渗流计算方法比较

2.3.2有限元法插值函数

2.3.3渗流有限元分析的步骤

2.4渗流自由面求解的基本方法

2.4.1变动网格法

2.4.2固定网格法

2.5基于ADINA的面板堆石坝正交异性渗流分析

2.5.1 ADINA软件简介

2.5.2温度场与渗流场计算理论的相似性分析

2.5.3渗流场分析在ADINA中的实现

2.6算例验证

2.7本章小结

3基于邓肯-张E-B本构模型的ADINA二次开发

3.1堆石体的本构模型

3.1.1 E-μ本构模型表达式

3.1.2 E-B本构模型表达式

3.1.3 E-μ、E-B本构模型的讨论

3.2破坏准则

3.3堆石体材料非线性有限元模拟原理

3.4 ADINA的二次开发

3.4.1 E-B本构模型的开发过程

3.4.2在ADINA中开发E-B本构模型时需要注意的问题

3.5施工及蓄水过程的模拟

3.5.1施工过程的模拟

3.5.2蓄水过程的模拟

3.6特殊边界的模拟

3.7基于ADINA的混凝土面板堆石坝模拟计算流程图

3.8数值验证

3.9本章小结

4面板堆石坝的渗流场与应力场的耦合分析

4.1渗流场与应力场的相互影响

4.1.1渗流场对应力场的影响

4.1.2应力场对渗流场的影响

4.2渗流场与应力场耦合的有限元方程

4.2.1应力场的有限元方程

4.2.2渗流场与应力场的耦合方程

4.3渗流场与应力场耦合的方法与步骤

4.4本章小结

5工程应用

5.1公伯峡混凝土面板堆石坝工程概况

5.2面板堆石坝各向同性渗流有限元分析

5.2.1计算模型及计算参数

5.2.2计算工况

5.2.3计算结果分析

5.3面板堆石坝正交异性渗流有限元分析

5.3.1计算结果

5.3.2结果分析

5.3.3与观测结果的对比

5.4公伯峡面板堆石坝应力变形计算

5.4.1计算模型及计算参数

5.4.2计算工况

5.4.3计算结果

5.4.4计算结果分析

5.5渗流场与应力场的耦合分析

5.5.1计算模型及参数

5.5.2计算结果与分析

5.6本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录