基于有限元与尖点突变理论的拱坝整体安全性研究

摘要

拱坝是水工建筑物中一种重要的坝型,相对于其他坝型而言,既经济安全、结构合理,又外形美观,这些优势在高坝中尤为明显。因此,在国内外的高坝建设中普遍采用拱坝。
　　拱坝因其自身特点,在水利水电枢纽布置设计中,较之其他坝型问题多、难度大。另外,拱坝体型也变化多样,有许多问题亟待解决。近些年来,我国的拱坝建设有了巨大的发展,与此同时,拱坝的应力应变计算、坝肩的稳定分析、动力分析与抗震、温控、灌浆以及地基处理工程措施,拱坝优化等技术也有着长足的进步。伴随着西部大开发战略的逐步实施以及国家电力能源结构的调整,西南地区涌现出一大批已建和待建的高拱坝,往往这些坝基岩体地质条件比较复杂,其设计和评价方法都没有特定的依据可循,因此给拱坝的稳定分析和安全评价提出了许多挑战。
　　本文以布桑加拱坝为研究对象,对其进行不同工况下的非线性和动力分析,其中,坝体和基岩使用不同的单元模型和破坏准则,得出不同工况下的应力与位移值、弥散裂缝的分布情况等特征参数。将岩土工程中的尖点突变理论引入到对拱坝整体安全度的求解中,解决了在非线性分析中采用超载法和强降法如何准确判断结构荷载的整体破坏问题,运用数学拟合的方法为求解坝体安全系数K提供了一种有效的方法。通过对数值模拟和拱坝优化程序的计算结果分析表明:在应力求解中数值模拟方法因其产生了应力集中现象,求得的结果在角缘处的应力值明显要大于拱坝优化程序计算值;在安全度求解过程中数值计算结果相对于优化程序结果较小,更接近于实际情况。本文针对左坝肩地质缺陷部分采用了高压固结灌浆的工程处理措施,通过对处理前后左右岸坝肩的位移值对比发现,处理后的两岸坝肩位移对称均匀,没有出现破碎带附近发生位移突变的情况,因此该处理措施是有效可行的。结合坝体破坏时弥散裂缝的分布情况,对坝体体型做了适当的优化,减少了碾压混凝土的使用量,为工程的投资节约了资金。

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第一章 绪论

1.1拱坝的历史和发展

1.2拱坝的主要特点

1.3拱坝的失事与原因分析

1.4混凝土拱坝稳定性分析方法

1.5本文研究的内容、目的与意义

1.6本章小结

第二章 拱坝三维有限元非线性分析

2.1概述

2.2有限元非线性结构分析

2.3弹塑性分析

2.4非线性有限元解法

2.5有限元常用单元及其特征

2.6坝体与岩体屈服准则

2.7拱坝安全度的求解方法

2.8三维有限元等效应力

2.9本章小结

第三章 拱坝失稳的突变理论模型

3.1概述

3.2初等突变类型

3.3尖点突变理论

3.4超载系数K与位移?的尖点突变模型的构建

3.5失稳判断依据

3.6本章小结

第四章 工程实例分析

4.1工程概况

4.2有限元计算条件

4.3坝体结构特性分析

4.4本章小结

第五章 尖点突变理论模型的应用

5.1拟合计算点的选取

5.2尖点突变理论在拱坝与坝肩稳定分析中的应用

5.3工程处理措施

5.4处理后坝肩位移分析

5.5处理后坝体整体安全度评价

5.6拱坝的体型优化

5.7本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

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