潮位影响下的海堤渗流场-应力场耦合分析

摘要

海堤是沿海地区防御风暴潮、抵挡海水入侵的主要挡水建筑物，堤身运行状态直接关系到堤内人们生命财产安全以及城市建设。近年来，随着国民经济的大力发展及围海造地的需要，修建海堤和护岸工程已成为沿海城市发展经济的重要手段。实践证明，堤坝边坡失稳破坏中有60％以上是由渗流引起的。目前，对渗流规律的研究往往偏重于内河水库大坝的渗流场分析，而对海堤的特殊渗流规律研究则相对较少，且通常未考虑渗流场与应力场相互耦合作用，这与海堤实际运行状况有所出入。而海堤受到不断变化、周期性涨落的潮汐影响，不存在常水位，内河渗流规律不宜直接应用于海堤工程。因此，在潮位影响下进行海堤渗流场与应力场耦合分析对于深入研究海堤渗流规律、准确掌握海堤运行状态、保证海堤安全运行具有重要意义。
　　首先本文在总结前人研究成果的基础上，详细阐述海堤渗流场及渗流场—应力场耦合分析有限元法基本理论，分析探讨非稳定潮位影响下海堤渗流场与应力场耦合迭代计算方法及步骤。继而以大型有限元软件ANSYS二次开发为平台，应用参数化编程语言APDL编写两场耦合计算程序。以上海浦东新区某段海堤为例，对其进行潮位影响下的渗流场—应力场耦合计算，并与实测渗压数据比较，验证计算方法及程序的可靠性;研究分析潮位周期性涨落时堤身渗压变化特点，探究初始渗透系数对其影响规律。选取潮位快速涨落的典型过程，对渗流自由面变化特点进行研究。最后分析了是否考虑两场耦合情况下该海堤断面渗流量变化特点，以及潮位快速涨落时应力场变化规律。结论表明，潮位影响下考虑海堤渗流场与应力场耦合更贴近工程实际。
　　本文在考虑潮位不断变化的影响下，对海堤进行非稳定的渗流场—应力场耦合分析的方法及结论，为深入准确掌握堤身状态变化规律、保证海堤安全运行提供—种有效途径。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2　渗流场—应力场耦合分析的发展现状

1．3 研究目的及意义

1．4 本文研究的主要内容

第二章 海堤渗流分析有限元法

2．1 渗流分析方法及理论

2．1．1 基本方法概述

2．1．2 渗流计算基本理论

2．2 渗流计算数学模型

2．2．1 基本方程

2．2．2 定解条件

2．3 渗流计算有限元法基本原理

2．3．1 有限元法发展概况

2．3．2 渗流有限元法计算步骤

2．3．3 渗流计算变分原理

2．3．4 渗透矩阵的形成

2．4 渗流自由面求解方法

2．4．1 渗流自由面求解的常见方法

2．4．2 有限元法确定渗流自由面

2．5 渗流量的计算方法

2．6 本章小结

第三章 海堤渗流场—应力场耦合分析基本理论

3．1 渗流场—应力场耦合作用机理

3．1．1 渗流场与应力场相互影响

3．1．2 渗流场对应力场的影响机理

3．1．3 应力场对渗流场的影响机理

3．2 渗流场与应力场耦合的数学模型

3．3 渗流场—应力场耦合的有限元模型

3．4 本章小结

第四章 海堤渗流场与应力场耦合计算在ANSYS中的实现

4．1 ANSYS软件概述

4．1．1 ANSYS软件介绍及主要特点

4．1．2 基于ANSYS的GUI操作概述

4．1．3 参数化编程语言APDL概述

4．2 基于ANSYS的温度场与渗流场比拟

4．2．1 ANSYS温度场理论

4．2．2 ANSYS热分析理论与渗流场理论对比研究

4．3 渗流场计算在ANSYS中的实现

4．3．1 ANSYS中渗流自由面的求解

4．3．2 渗流溢出点的确定

4．4 海堤耦合场计算在ANSYS中的实现

4．4．1 耦合场分析类型

4．4．2 海堤渗流场与应力场耦合迭代步骤

4．5 本章小结

第五章 工程实例分析计算

5．1 海堤工程概况

5．1．1 研究区域概况

5．1．2 地质条件及计算参数

5．2 工程计算模型

5．2．1 几何模型及有限元模型

5．2．2 边界条件

5．3 计算结果及分析

5．3．1 海堤渗压分析

5．3．2 潮位快速涨落时堤身自由面分析

5．3．3 海堤渗流量规律分析

5．3．4 应力场结果分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况