混凝土拱坝坝肩稳定三维非线性有限元分析研究

论文摘要

拱坝坝肩三维稳定问题是当前拱坝设计与分析中的重要研究课题。拱坝稳定性主要是依靠坝肩两岸岩体来维持,对坝肩岩体局部地质缺陷的忽视很有可能引起拱坝的失稳破坏,因此研究提出拱坝坝肩稳定问题的良好分析方法已变得极其重要。目前,拱坝实际工程设计中常采用传统的刚体极限平衡法进行拱坝抗滑稳定计算,坝体传给拱座的作用力也采用拱梁分载法的相应计算结果。实际上,岩体并非刚体和规则结构体,以及坝体材料(如混凝土)往往也不是弹性体,其应力—应变关系呈显著的非线性特性,并且拱坝在运行过程中存在着明显的应力重分布现象。基于这种认识,本课题在拱坝坝肩稳定分析方法的理论研究基础上,将混凝土多参数强度准则、非线性本构关系及坝体与基岩的仿真分析等综合考虑,以大型分析软件ANSYS为平台,建立了拱坝基岩三维地质仿真模型,同时应用APDL语言和多种ANSYS内部函数,开发了混凝土拱坝三维非线性有限元分析程序。利用该程序可方便地对复杂地基上的拱坝进行应力、变形分析,进而应用超载安全系数法、强度储备安全系数法和点安全系数法从不同角度分析混凝土拱坝及坝肩岩体的空间稳定性。本研究课题对江西省萍乡市山口岩拱坝进行三维非线性有限元坝肩稳定分析,分析成果显示满足设计规范要求,而且能较好地评价该拱坝的整体稳定性,也能够供拱坝的设计、优化和施工等参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 拱坝的发展史
• 1.1.2 拱坝的主要优点
• 1.2 混凝土拱坝三维非线性有限元分析
• 1.3 拱坝坝肩稳定分析研究的重要意义
• 1.3.1 马尔帕塞拱坝失事原因分析
• 1.3.2 帕柯依玛拱坝事故原因分析
• 1.4 拱坝坝肩稳定分析的研究方法
• 1.4.1 地质力学模型试验法
• 1.4.2 可靠度分析法
• 1.4.3 刚体极限平衡法
• 1.4.4 有限元分析法
• 1.5 其它方法
• 1.5.1 基于块体理论（Block Theory）的稳定分析方法
• 1.5.2 隆德法
• 1.5.3 界面单元法
• 1.5.4 离散元法
• 1.5.5 无网格法
• 1.5.6 非连续性变形分析法
• 1.6 本论文的课题来源及主要研究内容
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 主要研究内容
• 第二章 非线性有限元分析的基本原理
• 2.1 非线性结构分析
• 2.1.1 非线性分析问题类型
• 2.1.2 弹塑性分析的基本原理
• 2.1.3 强度准则
• 2.2 非线性有限元分析方法
• 2.2.1 初应力法
• 2.2.2 变刚度法
• 2.2.3 增量综合法
• 2.3 有限元接触问题的数值方法研究
• 2.3.1 接触面单元研究历史
• 2.3.2 接触面单元类型
• 2.3.3 接触约束算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 拱坝坝肩稳定三维非线性有限元分析研究
• 3.1 材料非线性在ANSYS中的模拟
• 3.1.1 非线性材料属性的定义
• 3.1.2 ANSYS的非线性迭代算法
• 3.1.3 非线性求解的组织流程
• 3.1.4 收敛准则
• 3.2 接触模型在ANSYS中的模拟
• 3.2.1 接触模型的分类
• 3.2.2 面—面接触分析过程
• 3.2.3 接触面单元参数取值规律
• 3.3 拱坝坝肩稳定分析的非线性有限元模型
• 3.3.1 坝体及基岩在ANSYS中的模拟
• 3.3.2 岩体地质缺陷在ANSYS中的模拟
• 3.4 拱坝坝肩稳定的判定方法
• 3.4.1 超载安全系数法
• 3.4.2 强度储备安全系数法
• 3.4.3 点安全系数
• 3.5 APDL程序设计的二次开发
• 3.5.1 参数化程序设计语言
• 3.5.2 拱坝坝肩强度储备安全系数程序的编写
• 3.6 拱坝坝肩稳定的算例分析
• 3.6.1 算例
• 3.6.2 超载法的计算分析
• 3.6.3 强度储备安全系数法的计算分析
• 3.6.4 点安全系数法的计算
• 3.7 本章小结
• 第四章 山口岩拱坝坝肩稳定三维非线性仿真分析
• 4.1 拱坝基岩地质三维仿真建模
• 4.1.1 地质建模的发展现状及意义
• 4.1.2 三维地质建模的难点分析及方法
• 4.1.3 山口岩拱坝三维地质建模方法
• 4.2 工程简介
• 4.3 有限元计算模型及基本资料
• 4.3.1 模型计算屈服准则和本构关系
• 4.3.2 模型建立及网格划分
• 4.4 计算模型的材料参数及数据
• 4.4.1 材料参数
• 4.4.2 荷载及计算工况
• 4.5 计算工况拱坝及岩体的结构特征分析
• 4.5.1 坝体位移及应力分析
• 4.5.2 岩体和断层的位移及应力分析
• 4.6 坝肩稳定分析
• 4.6.1 坝肩稳定的判断依据
• 4.6.2 超载法计算与成果分析
• 4.6.3 强度储备系数法计算与成果分析
• 4.6.4 点安全系数法的计算分析
• 4.7 拱坝坝肩稳定计算成果分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果