考虑坝体柔性的重力坝坝面地震动水压力计算

为了准确模拟地震作用下重力坝坝面动水压力,采用比例边界有限元与有限元的无缝耦合理论,提出了一种考虑坝体和库底柔性的坝面动水压力计算方法。该方法采用比例边界有限元的理论,可仅离散坝水交界面实现半无限库水的高效高精度模拟,且能方便考虑库水的可压缩性以及库底和岸坡的吸收作用;采用有限元离散坝体结构,通过作用在大坝迎水面上的动水压力实现对大坝-库水系统的求解。算例计算结果表明,该方法计算得到的重力坝坝面动水压力与已有文献计算结果吻合较好;坝体柔性削弱了坝面动水压力;坝面动水压力随库底反射系数的减小而减小。     

两种动水压力模型重力坝地震动力损伤比较分析

采用基于位移格式的流体单元与弹塑性损伤本构的固体单元分析了坝体—水库耦合系统在强震下库水对重力坝的动力响应、坝体内部应力分布以及损伤的影响。对流固耦合模型与附加质量模型的坝体损伤分析结果进行比较发现,附加质量模型不仅对上游坝面的动水压力有放大作用,而且对坝体的其他动力响应,如位移、加速度,也有不同程度的放大作用。同时,附加质量模型对地震中坝体内部应力及损伤也有一定的放大作用。可见,流固耦合模型分析大坝—水库系统相互作用更接近现实情况。     

用水体位移有限元分析拱坝与水库的相互作用

从水体基本方程出发，建立坝体与库水动力耦合的有限元法分析模型。全面分析二滩双曲拱坝与库水系统的相互作用，并与其它方法进行比较。     

阶梯地形下坝-库水-地基非线性相互作用的动力模型与多因素耦合模拟

为了更精细模拟阶梯地形坝址的混凝土坝在考虑材料非线性、库底吸收等多因素耦合下的地震响应,需要发展适用的坝-库水-地基非线性相互作用动力模型,其中合理的地震动输入是面临的首要问题之一。本文根据波场分离原理和坡面应力自由条件,提出了求解阶梯地形地基自由场的计算方法和该场地条件下坝-基体系的地震动输入方法,可较为准确地反映阶梯地形对坝体动力响应的影响。通过构建坝-库水-阶梯地形地基全域分析模型,可全面考虑坝-库水、坝-复杂场址动力相互作用以及坝体混凝土、近场基岩的非线性力学特性,从而提高了重力坝整体抗震安全评价的合理性。通过场地反应分析和波动散射分析的数值算例,验证了输入方法的有效性。并以阶梯地形下某重力坝挡水坝段为例,研究了场址条件对静-动力组合作用下坝体损伤演化的影响规律,结果表明:距坝踵约一倍坝高以外淤泥覆盖层的吸能作用对坝体损伤影响轻微;岩基的塑性主要从坝踵开始,导致坝踵损伤减轻,坝体位移响应改变,对水平方向的影响更大。     

坝体—库水—淤积层—地基系统地震动分析

为明确地震中坝体—库水—淤积层—地基系统相互作用下坝体的反应,将泥沙淤积层作为粘性、可压缩及大密度流体,考虑柔性地基作用建立了二维计算模型。本模型计算结果与以往报道结果相一致:柔性地基与淤积层都能够降低库坝系统的共振频率及反应幅值。此外,本文提出的方法简单、编程方便及运算速度快等特点可以较方便地应用到混凝土坝体非线性动力响应计算中。     

Nonlinear simulation of arch dam cracking with mixed finite element method

This paper proposes a new, simple and efficient method for nonlinear simulation of arch dam cracking from the construction period to the operation period, which takes into account the arch dam construction process and temperature loads. In the calculation mesh, the contact surface of pair nodes is located at places on the arch dam where cracking is possible. A new effective iterative method, the mixed finite element method for friction-contact problems, is improved and used for nonlinear simulation of the cracking process. The forces acting on the structure are divided into two parts： external forces and contact forces. The displacement of the structure is chosen as the basic variable and the nodal contact force in the possible contact region of the local coordinate system is chosen as the iterative variable, so that the nonlinear iterative process is only limited within the possible contact surface and is much more economical. This method was used to simulate the cracking process of the Shuanghe Arch Dam in Southwest China. In order to prove the validity and accuracy of this method and to study the effect of thermal stress on arch dam cracking, three schemes were designed for calculation. Numerical results agree with actual measured data, proving that it is feasible to use this method to simulate the entire process of nonlinear arch dam cracking.     

混凝土拱坝横缝对坝肩抗震稳定的影响

简单介绍了将刚体极限平衡法与考虑横缝的拱坝－地基系统有限元静动力分析相结合，将有限元时程分析的计算成果用于刚体极限平衡求解高拱坝坝肩块体抗滑稳定安全系数的基本思路和计算公式，并详细推导了模拟拱坝横缝动态张合效应的动接触力模型基本公式。最后又以两个实际工程为例，在考虑无限地基辐射阻尼作用的条件下，区分有、无横缝两种情况，在有限元静动力分析的基础上，用本文介绍了方法分别进行拱端推力、块体震力，以及块体动力安全系数的分析，通过这两种工况计算结果的对比，揭示拱坝横缝对坝肩抗震稳定的影响。     

碾压混凝土拱坝三维弹塑性有限元分析

在建立碾压混凝土拱坝等效连续概化模型的基础上 ,采用压扁单元和等效连续概化模型相结合来模拟碾压混凝土坝体的方法 ,运用四参数、Mohr- Coulumb和 Drucker- Parger准则分别模拟坝体、层面和基岩 ,以及用分散式裂缝模型模拟坝体开裂状态。对沙牌碾压混凝土拱坝进行的三维弹塑性有限元分析表明 ,坝肩出现了非层面向的裂缝并危及帷幕灌浆体 ,不利于拱坝正常运行。     

拱坝-库水相互作用的振动台破坏试验研究

为探究拱坝-库水相互作用对拱坝强震失效模式和超载能力的影响,在振动台上开展模型动力破坏试验。基于弹性力-重力相似律设计模型,考虑了材料率效应,利用天然水模拟库水,缝的模拟考虑了键槽影响以及裂纹尖端开裂相似条件。选择模型基频对应的谐波逐级加载开展超载试验,并运用多种技术手段监测模型损伤破坏全过程。试验表明,库水的预压作用能够充分发挥拱结构的抗压特点,使得顶拱拱向应力分布均匀。本次试验与不考虑库水的研究结果对比,得出结论：库水并没有降低拱坝结构整体超载能力,在宏观裂纹出现前约束顶拱动态应力的发展,使得顶拱与拱冠梁趋于同时破坏。本文研究结果可为评估坝库相互作用对拱坝超载能力与失效模式的影响提供试验依据。     

强地震作用下混凝土重力坝响应特性分析

研究了混凝土重力坝在高强度地震作用下的响应特性,分析了在地震峰值加速度不断增加时坝体屈服区域的发展方向。针对两个典型坝段,运用混凝土塑性损伤模型模拟了其结构的非线性特性。考虑了地震情况下动水压力的作用,通过动力有限元时程分析法计算了不同地震条件下两个坝段的动态响应。计算结果表明:当地震加速度较小时,重力坝只在坝踵区域出现小部分屈服,坝体能正常工作。若提高地震烈度,则局部损伤会纵深发展到达灌浆廊道部位,坝体会形成贯穿上下游的屈服区域并逐渐扩大致使结构失去稳定性。经两个坝段计算结果相互比较,得到了混凝土重力坝在强震作用下的非线性破坏形式,较为真实地反映出坝体的响应。     

基于响应面法的拱坝结构可靠度研究

针对拱坝构造复杂,基岩和筑坝材料具有非线性特性,可靠度分析十分困难的问题,将可靠度计算的响应面法与拱坝应力分析的有限元法相结合分析坝体的可靠度,即:坝体应力与变形的计算采用三维非线性有限元法,可靠度计算采用二次响应面法.以福建省永泰县大洋水电站拱坝为例,分析了该拱坝上游面和下游面的可靠度,得出了可靠指标的变化规律.与其...     

基于动接触力法的拱坝坝肩抗震稳定有限元分析

本文提出了应用基于动接触力方法的显式有限元技术进行拱坝坝肩抗震稳定分析的新思路，给出了相关公式。新的分析方法，将坝肩岩体、地基、坝体和库水作为一个统一体系进行动力分析计算，能有效地考虑坝肩可能滑动块体与坝体的动力相互作用，较真实地反映拱坝和坝肩受到地震作用的实际状态，并对小湾拱坝坝肩震稳定进行了分析研究。结果表明：在设计正常水位情况，小湾拱坝的地震作用超载安全系数约为1.3；在设计地震作用下，小湾拱坝的“降强安全系数”仅为2.58，而仅考虑静载作用时，即使以拱坝坝端应力不超过静态抗拉强度作为达到极限状态的工程判别定量标准，其坝肩的静态“降强安全系数”也高达4.0以上。因此，地震的作用使安全系数有较大降低。小湾拱坝坝肩抗震稳定是安全的，但安全裕度不高。     

Seismic stability analysis of concrete gravity dams with penetrated cracks

The seismic stability of a cracked dam was examined in this study. Geometric nonlinearity and large deformations, as well as the contact condition at the crack site, were taken into consideration. The location of penetrated cracks was first identified using the concrete plastic-damage model based on the nonlinear finite element method (FEM). Then, the hard contact algorithm was used to simulate the crack interaction in the normal direction, and the Coloumb friction model was used to simulate the crack interaction in the tangential direction. After verification of numerical models through a case study, the seismic stability of the Koyna Dam with two types of penetrated cracks is discussed in detail with different seismic peak accelerations, and the collapse processes of the cracked dam are also presented. The results show that the stability of the dam with two types of penetrated cracks can be ensured in an earthquake with a magnitude of the original Koyna earthquake, and the cracked dam has a large earthquake-resistant margin. The failure processes of the cracked dam in strong earthquakes can be divided into two stages: the sliding stage and the overturning stage. The sliding stage ends near the peak acceleration, and the top block slides a long distance along the crack before the collapse occurs. The maximum sliding displacement of the top block will decrease with an increasing friction coefficient at the crack site.     

高沥青混凝土心墙坝动力反应特性

根据官帽舟水电站工程的实际情况,采用三维非线性有限元法,建立了官帽舟沥青混凝土心墙坝的三维有限元模型,仿真了大坝填筑和水库蓄水过程,在获得坝体静力场的基础上,计算分析了大坝在设计地震作用下的动力反应特性,获得了坝体及沥青心墙的加速度、速度、位移反应分布以及坝体单元的安全系数。计算结果表明,大坝在设计三向地震作用下的加速度、速度及位移反应分布符合一般规律,总体上沥青心墙的地震反应不大,且坝体各单元各时刻的安全系数均大于1,坝体在设计地震作用下是安全的。     

双曲拱坝应力应变三维有限元仿真分析

运用大型通用有限元软件(ANSYS),建立能反映坝体混凝土和基岩相互作用的某电站双曲拱坝有限元模型.利用顺序耦合法对坝体在多种载荷组合作用下的运行期应力和变形进行了仿真计算.结果表明,坝体的应力及变形均符合有限元计算的一般规律,计算成果为工程项目的实施提供了技术依据,同时对类似工程分析具有参考价值.     

基于NB35047-2015规范的锦屏拱坝抗震复核

能源行业标准《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB35047-2015)已于2015年9月1日颁布实施。介绍了依据该规范开展的锦屏一级高拱坝抗震安全复核工作。主要内容包括:基于设定地震的场地相关设计反应谱研究;采用动力拱梁分载法、线弹性有限元法和非线性有限元法,进行设计和最大可信地震作用下的应力和坝肩岩体动力稳定分析;在选定的人工地震波基础上,采用以基岩峰值加速度在设计地震基础上比例放大的方式,进行大坝地基系统在超设计地震荷载下的地震超载能力分析。复核分析表明,锦屏一级高拱坝具有较高的抗震潜力;设计地震和最大可信地震作用下,坝体抗压强度安全满足现行抗震规范要求,且抗压强度安全有较大安全裕度,坝体拉应力基本未超过混凝土容许的应力范围,仅局部应力集中部位拉应力较大,能满足校核地震作用下"不溃坝"的设防要求。     

强震下流体对渡槽槽身的作用

本文应用边界元法计算了强震下流体的非线性晃动及其对槽身的水平力及翻转力矩，将所得数值结果与线性解析方法的计算结果作了比较，分析了两类结果的异同点。计算表明：强震时，流体对槽身可能会产生很大的横向水平力，建议在抗震设计时考虑这一作用因素。     

丹江口工程左岸连接坝段三维动力响应分析

丹江口工程是南水北调中线工程的水源工程。左岸连接段混凝土重力坝与土石坝呈正交连接，是典型的三维问题。过去只作过平面分析。为了确保该工程的安全，又进行了三维动力分析。应用子空间迭代法解动力方程的特征方程，得出坝体的自振频率和振型；然后进行反应谱分析，得出地震荷载和坝体各振型的应力响应；最后把各振型的应力响应进行组合，得出坝体的最大应力响应。库水与坝体的相互作用是在上游坝面引入附加质量来考虑的。为了评     

强震作用下特高拱坝非线性地震反应分析

研究采用等效一致黏弹性边界单元模拟拱坝无限地基辐射阻尼效应,给出了人工边界节点上等效地震荷载的计算公式,实现了拱坝-地基系统的地震动输入。以我国某特高拱坝为例,建立了拱坝-地基三维有限元分析模型,精细模拟了坝体体型、横缝、河谷形状、各类岩体以及主要地质构造。采用时程分析方法,综合考虑无限地基辐射阻尼效应、拱坝-库水动力相互作用、拱坝横缝动力接触非线性效应等因素,分析了拱坝-地基系统在强震作用下的动力响应,对拱坝抗震安全性进行了评价。研究成果为高拱坝设计提供了参考。     

Reservoir water effects on earthquake performance evaluation of Torul Concrete-Faced Rockfill Dam

This study presents earthquake performance analysis of the Torul Concrete-Faced Rockfill (CFR) Dam with two-dimensional dam-soil and dam-soil-reservoir finite element models. The Lagrangian approach was used with fluid elements to model impounded water. The interface elements were used to simulate the slippage between the concrete face slab and the rockfill. The horizontal component of the 1992 Erzincan earthquake, with a peak ground acceleration of 0.515g, was considered in time-history analysis. The Drucker-Prager model was preferred in nonlinear analysis of the concrete slab, rockfill and foundation soil. The maximum principal stresses and the maximum displacements in two opposite directions were compared by the height of the concrete slab according to linear time-history analysis to reveal the effect of reservoir water. The changes of critical displacements and principal stresses with time are also shown in this paper. According to linear and nonlinear time-history analysis, the effect of the reservoir water on the earthquake performance of the Torul CFR Dam was investigated and the possible damage situation was examined. The results show that the hydrodynamic pressure of reservoir water leads to an increase in the maximum displacements and principal stresses of the dam and reduces the earthquake performance of the dam. Although the linear time-history analysis demonstrates that the earthquake causes a momentous damage to the concrete slab of the Torul CFR Dam, the nonlinear time-history analysis shows that no evident damage occurs in either reservoir case.