金盆水库大坝三维有限元计算及原型观测资料分析和预测

摘要

金盆水利枢纽工程属大(2)型Ⅱ等工程，由粘土心墙砂砾石坝、左岸泄洪洞、右岸溢洪洞及引水洞、坝后电站等建筑物组成。本文以金盆水利枢纽的粘土心墙坝为研究对象，通过对大坝的三维有限元计算、原型观测成果分析、观测成果与理论计算结果的对比分析，以及对观测数据的灰色建模分析、预报，得到相关结论，为大坝的安全运行提供了一定的依据。 本课题在分析实际工程的基础上，采用ANSYS软件计算了金盆水利枢纽大坝在施工期和蓄水期两种工况下的应力和变形，计算中坝体材料均按非线性材料考虑，计算模型采用E-B模型，坝体与心墙间采用接触单元模拟。并选取了两个典型剖面(0+088m，0+225m)的计算结果进行了分析。计算结果表明坝体变形规律合理，变形量适中，在一般工程经验值范围内；大、小主应力最大值均出现在心墙底部附近，未出现拉应力。 原型观测成果分析分为统计分析和建模分析两种。统计分析主要采用对比法、特征值统计法、作图法和经验类比法，分析了各个观测量的量值、变化趋势、变化规律以及各个观测量之间的相关关系和相关程度等，结果表明坝体的变形正常，运行良好。建模分析采用灰色系统理论，通过编程计算，建立大坝特征量的灰色代数曲线预测模型，并对相关值进行预测，模型精度均比较高，各测点的预测模型完全可以用于大坝沉降最大值的预测。最后，对有限元计算结果和实测结果进行对比分析，得出两者的结果差别不大，说明有限元计算可靠、正确。 本文的研究方法及研究成果，对该工程的运行具有重要的指导意义，而且对类似工程也具有重要的参考价值。

目录

摘要

Abstract

1 概述

1.1 土石坝发展及研究概况

1.1.1 土石坝发展概况

1.1.2 土石坝的特点

1.1.3 土石坝防渗结构

1.2 粘土心墙坝的发展及研究概况

1.2.1 粘土心墙坝的发展

1.2.2 粘土心墙坝的防渗体材料性能要求

1.2.3 心墙坝发展过程中存在的问题

1.2.4 心墙坝应力变形特性研究综述

1.3 本文研究的目的和主要内容

2 黑河金盆水利枢纽简介

2.1 工程概况

2.2 坝址区地质条件

2.3 大坝

2.3.1 坝壳

2.3.2 防渗体

2.3.3 反滤

2.3.4 基础处理

2.4 坝体填筑材料及大坝坝料分区

2.4.1 筑坝材料

2.4.2 坝料分区

3 土石坝应力、变形分析原理和方法

3.1 土石坝应力、变形分析的原理

3.1.1 土的变形特性

3.1.2 土的弹性本构模型

3.2 土石坝应力、变形分析的方法

3.2.1 土石坝应力、变形分析的传统方法

3.2.2 土石坝应力、变形分析的有限元方法

4 黑河金盆水利枢纽大坝三维有限元计算及分析

4.1 计算目的

4.2 数值分析计算软件简介

4.2.1 ANSYS软件简介

4.2.2 ANSYS参数化设计语言

4.3 ANSYS用户可编程特性

4.3.1 用户可编程特性(UPFs)

4.3.2 ANSYS数据接口

4.4 本文计算中用到的结构单元及接触单元

4.4.1 SHELL63

4.4.2 COMBIN39

4.4.3 CONTACT175和 CONTACT170

4.4.4 SHELL181

4.4.5 SOLID95

4.5 计算流程图

4.6 计算结果及分析

4.6.1 三维有限元模型

4.6.2 计算工况及其工况拟定

4.6.3 计算参数

4.7 计算条件

4.7.1 竣工期计算结果及分析

4.7.2 蓄水期计算结果及分析

4.8 小结

5 黑河大坝观测资料分析及预测

5.1 原型观测项目介绍

5.1.1 坝体变形观测

5.1.2 渗流观测

5.1.3 应力观测

5.1.4 地震动反应观测

5.1.5 水库水位观测

5.2 主要监测项目观测资料分析

5.2.1 水库水位变化过程分析

5.2.2 坝体沉降变化过程分析

5.2.3 大坝水平位移监测

5.3 坝体沉降的灰色模型预测

5.3.1 建模机理

5.3.2 坝体沉降的灰色模型预测

5.4 有限元计算结果与实测结果对比分析

5.5 小结

6 结语

致谢

参考文献

附录

一、攻读硕士期间发表论文:

二、获奖情况.

三、主持完成的主要工作项目