水垫塘反拱底板非线性静动力特性研究

论文摘要

水垫塘是高拱坝坝身泄洪消能的主要形式,反拱底板是一种新型的底板衬护形式,其优越性明显优于平底板,最适合做“窄河谷、大流量、高拱坝”的泄洪消能工。近年来,国内的一些学者从底板受力、反拱体形及流场特征等角度对反拱底板的稳定性进行了大量的研究,但关于底板在不同破坏模式下的稳定特性却没有人涉及。本文通过数值分析方法对反拱底板进行了非线性静力分析,并以拉西瓦拱坝坝后新体型的反拱水垫塘为背景,结合试验,对泄洪期间的动力响应进行了研究,主要成果有:（1）对反拱水垫塘底板-拱座-锚杆-基岩之间的相互作用机制进行了研究。为了全面反映水垫塘的整体受力特点,本文对不同锚固钢筋方式（无锚固、不同自由段长度等）以及相同自由段长度、不同板厚情况下的水垫塘的稳定性进行了分析,研究锚固钢筋作用机制。（2）反拱底板在上表面水压力的作用下,其拱端与拱座间可能被拉开,在温升或温降的作用下,两者之间的裂缝或错位将会发生变化。本文考虑水垫塘正常运行和检修两种情况,对反拱底板在反向荷载、温度荷载和扬压力联合作用时拱座的稳定性进行了研究。（3）高坝泄洪时,在高速水流的作用下,水垫塘承受着巨大的动水荷载冲击力。底板块与块之间的止水缝一旦被破坏,可能会引起底板块的连锁破坏。本文通过水弹性模型试验研究了底板在不同破坏模式下的上举力特性;同时,建立有限元模型,分析了不同破环模式对底板稳定性的影响。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 前人研究成果
• 1.2.1 水垫塘水力特性研究现状
• 1.2.2 水垫塘底板稳定性研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 水垫塘反拱底板数值模拟的计算方法与基本理论
• 2.1 单元形式与联接
• 2.1.1 锚固钢筋
• 2.1.2 锚筋与混凝土（基岩）的联结
• 2.2 锚固钢筋粘结滑移模拟
• 2.2.1 粘结机理
• 2.2.2 粘结滑移本构关系
• 2.3 非线性接触理论
• 2.3.1 接触问题描述
• 2.3.2 有限元离散化接触系统平衡方程
• 2.3.3 有限元理论中的接触算法
• 2.4 流固耦合基本理论与附加质量法
• 2.4.1 流固耦合基本理论
• 2.4.2 附加质量法
• 2.5 本章小结
• 第三章 反拱底板－锚筋－地基－拱座非线性静力研究
• 3.1 引言
• 3.2 反拱底板有限元研究方法
• 3.2.1 模型简介
• 3.2.2 模型边界处理与单元形式的选择
• 3.2.3 模型材料参数
• 3.2.4 模型基本假定
• 3.3 主要计算荷载
• 3.4 不同钢筋锚固形式对拱端、拱座的结构影响
• 3.4.1 不同钢筋锚固形式对钢筋应力、拱端推力的影响
• 3.4.2 不同钢筋锚固形式对拱座、板块位移的影响
• 3.4.3 不同钢筋锚固形式对拱座应力的影响
• 3.5 不同板块厚度对拱端、拱座的结构影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 温度荷载和水荷载作用下拱端拱座变形规律研究
• 4.1 引言
• 4.2 反拱底板数值模型
• 4.2.1 模型简介
• 4.2.2 计算方法
• 4.3 计算荷载
• 4.4 静水压力对拱端裂缝、错位的影响
• 4.5 温降对拱端裂缝、错位的影响
• 4.6 温升对拱端推力、板块及拱座应力的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 不同破坏模式下反拱底板稳定性研究
• 5.1 研究背景
• 5.2 底板不同破坏模式下上举力试验研究
• 5.2.1 试验方案
• 5.2.2 不同破坏模式下上举力试验结果
• 5.3 底板不同破坏模式下拱端推力、位移有限元动力计算
• 5.3.1 反拱水垫塘有限元模型
• 5.3.2 计算荷载
• 5.3.3 不同破坏情况下的拱端推力计算结果
• 5.3.4 不同破坏情况下的位移计算结果
• 5.4 板厚对底板稳定性的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.1.1 水垫塘反拱底板非线性静力分析
• 6.1.2 不同破坏模式下水垫塘反拱底板非线性动力分析
• 6.2 展望
• 参考文献
• 参与科研情况说明
• 致谢