金安桥水电站枢纽区边坡稳定性分析及FemCAD有限元软件开发

摘要

本文针对金安桥枢纽建筑物区B1、B2、B20堆积体边坡及左坝肩岩质边坡，运用刚体极限平衡法和静、动力有限元法，分别对上述边坡多种工况的稳定性情况进行系统分析计算，综合评价边坡的稳定性及工程处理措施。同时采用混合语言编程开发FemCAD有限元软件，并将其成果应用于金安桥边坡建模中。　　本文的主要工作及特色如下：　　(1)根据金安桥边坡地形、地质特性，建立有限元和刚体极限平衡法计算模型，重点模拟断层及节理裂隙等不利地质构造。　　(2)采用刚体极限平衡法中的Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、潘家铮法以及静力有限元法，计算天然、蓄水、水位骤降、施工、地震和暴雨工况下边坡的稳定安全系数，并考虑各种不同的滑移模式组合，综合分析不同工况下边坡的稳定性。　　(3)运用非线性有限元法研究天然边坡的稳定性，模拟边坡分级开挖情况，研究无支护条件下工程开挖边坡的卸荷特征，揭示边坡潜在塑性区和拉裂区分布位置和范围；研究系统锚杆和预应力锚索布置方案的加固效果，为工程边坡的加固处理提供依据。　　(4)研究地震荷载作用下，边坡的动力响应特性，揭示边坡在地震作用下的变形、速度、加速度与应力分布特性，并采用时程分析法获得边坡的动安全系数及动力特性曲线，分析地震作用对边坡稳定性的影响程度。　　(5)利用Fortran/VisualBasic/VisualLisp语言各自的特点和优势，采用混合语言编程开发FemCAD有限元软件，集成了有限元求解的一个完整过程(包括前处理、计算、后处理三个步骤)。研究过程中着重于开发有限元的前后处理及与其它通用软件(GEO-SLOPE/SIGMA、MARC、ANSYS)的模型转换功能，实现有限元平面网格剖分的数值化、自动化及有限元前后处理绘图功能。

目录

文摘

英文文摘

1概论

1.1论文选题的依据及研究意义

1.2国内外研究现状及评述

1.2.1边坡研究的发展[10]～[14]

1.2.2边坡稳定分析方法[8]～[10]

1.2.3影响边坡稳定性的因素[1][5][8][9]

1.2.4边坡动力响应分析方法[1][47]～[61]

1.3论文研究内容及主要技术路线

1.3.1金安桥边坡稳定性分析的主要内容

1.3.2 FemCAD有限元软件开发

2边坡研究基本理论及计算方法

2.1刚体极限平衡稳定性分析基本理论[8][9][76]～[78]

2.1.1 Bi shop法

2.1.2 Janbu法

2.1.3 Morgenstern-Price法

2.1.4潘家铮法

2.1.5不同方法的比较与说明

2.2静力有限元基本理论

2.2.1有限元基本方程

2.2.2岩体的强度与本构模型[14][62]～[64]

2.2.3分级开挖及支护措施模拟方法

2.2.4稳定性评价方法

2.3动力有限元基本理论[22][73]～[75]

2.3.1运动方程

2.3.2 Newmark方法

2.3.3模态分析基本理论

2.3.4边坡动安全系数计算的基本步骤

2.3.5地震荷载作用效应

3金安桥边坡地质条件及参数反演

3.1金安桥边坡地质条件

3.2物理力学参数

3.3设计建议参数B1堆积体边坡刚体极限平衡稳定性计算成果

3.3.1天然工况

3.3.2蓄水工况

3.3.3库水位骤降工况

3.3.4地震工况

3.4堆积体接触带参数反演条件及反演结果

3.4.1天然工况

3.4.2蓄水工况

3.4.3库水位骤降工况

3.4.4地震工况

4刚体极限平衡稳定性计算成果

4.1 B2堆积体边坡

4.1.1天然工况

4.1.2施工工况

4.1.3地震工况

4.1.4暴雨工况

4.2 B20堆积体边坡

4.2.1天然工况

4.2.2施工工况

4.2.3地震工况

4.2.4暴雨工况

4.3坝肩边坡

4.3.1天然工况

4.3.2施工工况

4.3.3暴雨工况

5边坡静力有限元计算成果

5.1计算剖面及离散

5.2沿滑动面整体稳定性计算成果

5.2.1天然工况

5.2.2施工工况

5.2.3暴雨工况

5.3边坡岩体及结构面工作性态

5.3.1天然工况

5.3.2施工工况

5.3.3支护工况

6边坡动力有限元计算成果

6.1边坡地震荷载作用效应及稳定性

6.1.1地震荷载作用下的动应力

6.1.2地震荷载作用下的动位移

6.1.3地震荷载作用下的速度

6.1.4地震荷载作用下的加速度

6.2边坡动安全系数

7 FemCAD有限元软件开发[83]～[98]

7.1有限元前处理研究现状

7.2软件特点及主要功能

7.3技术思路

7.3.1利用Visual Lisp进行有限元前处理的步骤

7.3.2确定模型的表面区域边界[83][84]

7.3.3获取任意截面物理量值[83][84]

7.4在本工程上的应用

7.5 FEMCAD有限元软件介绍

7.5.1系统运行环境及安装说明

7.5.2主窗口及菜单栏

7.5.3主要功能操作界面

7.5.4操作流程

7.5.5文件类型及数据格式

8结论

8.1B1堆积体边坡

8.2 B2堆积体边坡

8.3 B20堆积体边坡

8.4坝肩边坡

8.5 FEMCAD有限元软件

参考文献

在读期间科研成果简介

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致谢