面板堆石坝有限元接触问题模拟方法研究

采用三维非线性有限元分析方法对面板堆石坝进行了静力工况分析,提出了基于直接约束法的接触迭代算法来模拟面板堆石坝的面板和堆石间的界面接触,结合工程实例分析了某面板堆石坝面板的应力、变形情况;证明了基于直接约束法的接触迭代算法可以方便地运用于水工接触分析,所得结果能为工程设计提供参考和依据.     

堆石坝混凝土面板温度应力分析研究

本文结合新疆吉林台面板堆石坝的设计方案,应用能模拟堆石体施工过程的有限元模型和计算方法,研究了寒冷地区的堆石坝混凝土面板在温度荷载作用下的应力分布规律.同时,通过在面板与垫层以及面板与趾板之间不设置接触单元和设置接触单元的两种计算方案的比较,探讨接触单元在混凝土面板温度应力有限元计算模型中的应用.计算研究表明,在冬天寒流侵袭时,面板中下部将出现大于混凝土抗拉强度的拉应力值;设置文中所述的接触单元是可行的,这样更能模拟面板的实际受力情况.     

内蒙古丰泰电厂贮灰坝面板治理研究

在我国北方地区许多燃煤发电厂的贮灰坝为粉煤灰坝体,在冬季运行期间,由于低温在坝内形成冰层,经常发生冰层冻胀并挤压灰坝混凝土护坡面板,导致面板滑移和土工布开裂。当气温回升时,风浪通过破裂的土工布迅速淘蚀灰坝内的粉煤灰,使坝体发生严重的坍塌破坏。为解决生产及工程实际难题,作者分析了灰坝面板材料的病害成因、与冰层间的冻结特性,对修补技术及修补材料进行了研究与对比,提出了采用PVC卷材覆盖面板的方法,可避免混凝土护坡面板被挤压受损。2006年3月,结合内蒙古丰泰电厂贮灰场近200m长遭到严重损坏的坝段,进行了修复试验。试验选用了PVC卷材覆盖面板,经当年冬季观察,起到了抗冰层冻胀挤压作用。经3年的运行,坝体及面板未出现冻胀损坏现象,贮灰场运转正常。实践证明这项技术是成功的,可用于寒冷地区粉煤灰坝及其它水工混凝土面板的保护。     

基于不同接触单元的面板堆石坝动力响应分析

土工结构数值模拟中土与结构接触问题一直是学者研究的热点。通过改变普通四边形单元等效线性黏弹性动力本构模型中的动剪模量和模量指数,提出一种改进薄层接触单元,其与普通四边形单元本构模型一致,物理意义更为明确,模型计算参数更易取得,更适于土与结构接触面的计算。对坝高为200 m的面板堆石坝面板与垫层之间设置改进的薄层接触单元、不加接触单元、采用无厚度的Goodman单元及改变薄层接触单元动力参数等多种工况时,面板的动力响应结果分析比较表明:面板与垫层之间设置改进的薄层接触单元时面板的动力响应介于不设接触单元和设无厚度的Goodman单元之间,合理选取薄层接触单元动力参数可以得到理想的结果。     

钢闸门卡阻故障数值模拟研究

采用两种方法分别模拟了钢闸门的两种卡阻故障,一种是施加约束的方法模拟面板与侧轨间的卡阻;另一种是在接触面设立三维非线性薄层单元的方法模拟弧形闸门铰轴的卡阻。引用某水电站弧形闸门作为算例,对这两种卡阻故障进行了数值模拟,将得到的应力结果与钢闸门在正常运行情况下的应力状态做了对比分析:其中第一种模拟方法着重分析了面板的应力,结果表明卡阻处面板有应力集中,但影响范围不大,约占面板宽度的4%;而第二种模拟方法则着重分析了支臂的应力,结果显示支臂应力的最大值增大一倍,但并未出现应力集中的情况。     

狭窄河谷陡边坡高面板堆石坝应力变形研究

目前堆石坝有限元应力应变计算大多采用固支模拟岸坡处堆石与岸坡的连接。对于狭窄河谷陡边坡地区面板堆石坝,堆石可能沿岸坡面将发生滑移,此时采用固支模拟与实际情况不符。为研究狭窄河谷陡边坡对面板堆石坝应力变形影响,选用无厚度的goodman单元模拟狭窄河谷中陡边坡边界与堆石的接触面,并与将岸坡处堆石的结点按固支模拟的常规方法的成果相比较。计算结果表明：2种情况下堆石体变形及应力分布规律大体一致,但是采用固支处理时变形值相对较小;采用固支时,河床段面板底部拉应力偏大,与实际情况不符,考虑摩擦接触后,堆石能够沿着岸坡滑动,该部位应力较为均匀,拱效应相对降低,蓄水后岸坡处面板在受静水压力作用,有较小的压应力,符合实际情况。     

基于HEC-RAS的面板坝溃口模拟研究

介绍了HEC-RAS软件的功能,着重分析了面板坝的溃决过程,并对溃口处流量、水位的变化规律进行了初步归纳。通过对面板坝溃决过程的分析研究,提出了一种基于HEC-RAS软件面板坝一维溃决的溃口发展模拟方法。拟定了基于传统方法和此溃口方法对大桥水库进行溃坝模拟,得到两种方法下溃口处的水位流量过程数据,对模拟结果进行了对比。结果表明,此溃口模拟方法更适合于面板坝的溃决过程模拟。     

天池面板堆石坝三维变形应力计算分析

采用Duncan-Chang E-B模型模拟堆石体,接触面单元模拟面板与垫层之间的接触,面板竖缝和周边缝用分离缝模拟,对天池面板堆石坝进行了三维有限元变形应力分析,得到了堆石体、面板的位移应力及分布规律,分析了面板竖缝和周边缝的变形。计算结果表明:坝体的位移、应力均在合理范围内,面板缝和周边缝变形满足静力要求。     

基于无网格界面模拟方法的面板坝防渗体跨尺度分析

混凝土面板作为面板坝关键的防渗结构,其安全性态至关重要。由于防渗面板与堆石体尺寸相差悬殊,如何在保证面板高精度模拟的前提下提高计算效率是一个亟待解决的难题。通过引入背景网格线及径向插值函数(RPIM),开发了基于无网格的界面模拟方法,实现了界面两侧节点自由分布,克服了Goodman单元点对点的限制。该方法可灵活地连接两侧不同尺寸的面板及堆石体网格,进而建立面板与垫层跨尺度分析模型。同时采用"面向对象"及"超单元"技术将该方法集成到自主开发的GEODYNA计算平台中,实现了与传统有限元法的无缝耦合,并可应用界面弹塑性本构模型模拟堆石和面板复杂的接触关系。在此基础上,通过引入虚节点进一步提高了径向插值函数(RPIM)在边界附近的模拟精度。研究表明,基于无网格的非点对点界面模拟方法可高效、灵活地实现面板坝跨尺度分析,在保证高精度的前提下大幅度降低自由度和提高计算效率。本文研究方法可以很容易地扩充到三维问题,并为面板坝面板精细化损伤演化分析提供有力的技术手段。     

基于ADINA的面板堆石坝三维子模型法研究

考虑到面板堆石坝上游面板结构处各种接缝的尺寸与整个坝体模型差异过大,且其变形具有非连续性,从而会导致在有限元计算时出现求解困难或者精度不足的问题。尝试在ADINA有限元分析软件中用子模型法把面板及面板周边的混凝土趾板从面板堆石坝的整体模型中脱离出来作为研究对象,其优点在于方便实施,且可以采用精细的单元网格以获得更高精度的计算解。同时,子模型法对面板的垂直缝和周边缝以及面板与垫层接触部位也可进行详细模拟。通过工程实例计算,并进行结果合理性分析,在验证了面板堆石坝接缝等细部结构分析中采用子模型法具有较高精度和合理性的同时,重点对面板及其接缝部位的变形分布规律进行了探讨。     

混凝土面板堆石坝水下面板裂缝成因数值分析

混凝土面板堆石坝的水下面板裂缝形成发展,影响了面板的工作性态。为揭示水下面板裂缝的成因,依据监测资料研究了运行期不利温度工况及施工质量对面板裂缝的影响,提出以空隙率的概率分布函数表征施工质量的方法,采用质量保证率模拟堆石区的施工缺陷区域,确定了运行期堆石坝面板裂缝分析的流程。以某混凝土面板堆石坝为例,通过结构计算研究了面板裂缝开裂区域的应力情况及变化趋势。结果表明:温度因子对深水区裂缝产生及发展影响不大。在水荷载作用下,当施工质量缺陷区堆石料质量保证率为90%时,计算的裂缝应力符合裂缝的检查情况,验证了该模拟方法的合理性。研究成果对面板堆石坝的安全运行具有工程意义,也对同种坝型运行期水下裂缝的成因和判断具有参考价值。     

库水位骤降对高面板堆石坝面板脱空的影响

为研究库水位骤降对于高面板堆石坝面板脱空的影响规律,通过系统分析与比较,选择了面板与坝体材料的本构模型以及二者之间的接触面模型,分析提出了大坝施工加载及蓄水过程的模拟方法以及面板脱空的模拟方法。以某面板堆石坝为例,按照不同的库水位骤降速度与骤降幅度制定4种方案,分别进行大坝的三维有限元应力变形计算以及脱空模拟。然后通过对比分析4种计算方案的计算结果,系统总结库水位骤降速度与骤降幅度对面板堆石坝面板应力变形及面板脱空的影响规律。结果表明:在库水位下降幅度一定的条件下,随着水位下降速度的减小,面板的脱空值有所减小;在库水位下降速度一定的条件下,随着水位下降幅度的减小,面板的脱空值也相应减小。因此,在实际面板堆石坝工程中,需要控制库水位的骤降速度与骤降幅度,以防止面板脱空现象的发生。     

基于E-B模型的面板堆石坝变形模拟

混凝土面板是面板堆石坝最主要的防渗体,其变形和开裂状态对大坝的整体安全至关重要,在设计阶段需要对施工期及运行期面板的变形做充分预测。土石散粒体的本构模型种类繁多,采用非线性弹性模型中的邓肯E-B模型,结合商业有限元数值模拟软件,对陕西省某水库沥青混凝土面板堆石坝进行数值模拟,对比多年以来坝体和面板的渗漏和变形观测数据,发现模拟结果很好地与实际情况相吻合,表明在混凝土面板堆石坝的变形模拟中,邓肯E-B模型具有很高的工程实用水平。     

面板坝新结构形式及其应力变形特性

采用离心模型试验对碾压砼－面板堆石混合坝的应力变形特性进行了分析研究，表明了该新坝型在蓄水前后应力变形的一般规律，并将试验结果与试验过程有限元模拟结果进行了比较分析，验证了用于数值计算的数学模型。最后，用三维有限元方法分别计算了公伯峡混合坝和单一面板坝的应力变形。通过分析比较，提示了这种新型面板坝在应力变形方面的优越性。     

面板坝新结构形式及其应力变形特性

采用离心模型试验对碾压砼－面板堆石混合坝的应力变形特性进行了分析研究，表明了该新坝型在蓄水前后应力变形的一般规律。并将试验结果与试验过程有限元模拟结果进行了比较分析，验证了用于数值计算的数学模型。最后，用三维有限元方法分别计算了公伯峡混合坝和单一面板坝的应力变形。通过分析比较，揭示了这种新型面板坝在应力变形方面的优越性。     

水工钢闸门轨道受力性能的有限元分析

采用有限元分析软件ANSYS模拟水工钢闸门定轮支承系统的工作情况,着重对轨道的受力性能进行了研究,揭示出轨道的受力性能与弹性地基上的基础梁的受力性能相似。此外,还对有限元分析的关键技术———法向接触刚度因子FKN的取值进行了有益的探索,提出了利用试验结果,进行优化反分析得出接触力学参数的方法。这一方法是对传统实常数选取方法的补充,得出的参数可作为类似工程有限元分析的参考。     

抽水蓄能电站上水库运行条件下冰厚数值模拟研究

寒区抽水蓄能电站上水库在冬季运行时,在热力因素和动力因素共同作用下,电站冰层的形成过程十分复杂。本文通过数值模拟方法,模拟某抽水蓄能电站上水库不同运行工况对冰厚的影响,其研究结果可为抽水蓄能电站冬季运行提供指导和参考,对寒区新建抽水蓄能电站冬季运行具有借鉴意义。     

基于有限元仿真面板坝脱空分析

文中采用非线性有限元分析方法,并运用沈珠江模型作为堆石体本构模型对面板堆石坝坝体及面板做应力和变形计算。在静力计算的基础上,选择容易产生脱空的区域进行模拟脱空,主要运用隐单元方法来进行脱空问题研究,对面板的挠度和应力与面板坝的一般规律比较并做一定的分析,来论证利用有限元仿真模拟坝体脱空是一种有效的途径。     

基于子模型法的面板堆石坝三维应力变形分析

基于三维有限元非线性方法,考虑某高面板堆石坝面板分期施工浇筑的特点,建立精细模拟面板特性的子模型,用有厚度的接触面单元模拟坝体与面板的接触面,设置相应的连接单元模拟面板缝的相互作用,分析了该面板堆石坝在施工期和蓄水期坝体和面板的应力变形,并与类似坝高的面板堆石坝的计算或监测结果进行比较。结果表明:在施工期和蓄水期坝体的最大沉降值约为坝高的1%,位于次堆石区;面板应力以压应力为主,拉应力主要集中在面板与周边山体连接处;周边缝的最大错动剪切变形、最大张拉变形及最大沉降剪切变形均未超过30 mm。     

混凝土面板堆石坝跨尺度有限单元模拟技术的开发与应用

混凝土面板的薄板结构特性以及计算成本的控制需要，导致面板模拟精度相比面板复杂的工作条件、结构重要性而言过于粗糙，严重影响数值模拟计算的可靠性。【目的】为了实现面板的精细化模拟，【方法】通过在面板堆石坝的有限元计算中引入六面体任意节点单元，开发了一种混凝土面板堆石坝跨尺度有限元模拟技术，采用该技术对某面板堆石坝进行数值模拟，并与常规有限元模拟结果进行对比。【结果】结果显示，采用跨尺度精细化模拟技术，面板拉、压应力均有显著增大趋势，其中水平向压应力和顺坡向拉、压应力的增幅分别达到10%、40%和70%左右，两岸局部水平向拉应力甚至出现8倍以上增幅；沿面板厚度方向应力、变形也显示出压应力向表层发展、拉应力及结构缝张开度向底部发展的现象，尤其是顺坡向拉应力，表层、底层拉应力比值超过2.0;计算结果与面板堆石坝实际运行表现相互吻合。【结论】对比研究表明，跨尺度模拟技术不仅可以精细地反映单块面板的应力变化、接缝位移变化，而且可以反映面板变形与应力沿厚度方向的变化规律，为复杂面板堆石坝结构设计提供了更加可靠的依据。该技术计算效率、模拟精度高，具有很大的推广应用价值。