粘土心墙土石坝水力劈裂的有限元数值仿真研究

论文摘要

水力劈裂是土石坝工程中最为关注,也最有争议的问题之一。水力劈裂会导致大坝防渗体的破坏从而造成灾难性的后果。然而,水库蓄水压力能否在心墙的上游表面造成裂缝,进而形成集中渗水的通道并导致大坝的破坏,时至今日在工程和学术界仍有争论。人们对水力劈裂发生的条件、频率以及判别方法等问题尚存在有不同看法。尽管如此,论证心墙是否有发生水力劈裂的可能性仍是当前各种心墙土石坝在设计当中需要解决的核心问题之一。因此,对水力劈裂问题进行深入研究,论证心墙水力劈裂的发生条件、发生机理,进而提出合理的水力劈裂判别标准和切实有效的预防措施,对土石坝的设计、施工和安全运行有着十分重要的意义。本文主要围绕土质心墙土石坝水力劈裂的发生条件、发生机理和判别标准等进行理论分析和数值模拟。首先在对水力劈裂发生的条件和机理做详细阐述的基础上,总结现有的研究水力劈裂的数值方法即有效应力法和总应力法,通过计算结果的对比,分析两种方法的优缺点,得出有效应力法的局限性以及总应力法的相对可行性,并利用总应力法对影响水力劈裂发生的各影响因素如心墙和坝壳料的弹性模量、泊松比、心墙的坝坡、密度等进行敏感性分析,从而得出对水力劈裂发生影响较大因素是坝壳与心墙的弹模比和心墙的泊松比,次之的是坝壳的密度和心墙上游的倾角;其次,对水力劈裂发生影响较大的参数即坝壳与心墙的弹模比和心墙的泊松比做进一步分析。通过对两座不同高度,不同倾角大坝的分析和对比,得出控制水力劈裂发生的坝壳与心墙的弹模比和心墙的泊松比的关系曲线,从而为设计提供依据;最后,对某粘土心墙水电站做三维有限元数值计算,从坝体中沿顺河向取出三个具有代表性的截面,用总应力法对三个截面分别进行判断,得出该水电站不会发生水力劈裂,这与根据坝壳与心墙的弹模比和心墙的泊松比的关系曲线而判断不会发生水力劈裂的结果相符,进而论证了给定的坝壳与心墙的弹模比和心墙的泊松比的关系曲线的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 我国土石坝的现状
• 1.2.1 我国土石坝的发展
• 1.2.2 我国土石坝存在的问题
• 1.2.3 与水力劈裂有关的大坝事故
• 1.3 水力劈裂的研究现状
• 1.3.1 室内试验
• 1.3.2 现场试验
• 1.3.3 离心模型试验
• 1.3.4 水力劈裂的数值模拟方法研究
• 1.3.5 水力劈裂的影响因素
• 1.4 本文主要研究工作
• 2 水力劈裂发生的条件与机理
• 2.1 水力劈裂的提出
• 2.2 水力劈裂的定义
• 2.3 水力劈裂发生的条件
• 2.3.1 水力劈裂发生的物质条件
• 2.3.2 水力劈裂发生的力学条件
• 2.3.4 水力劈裂发生的裂缝条件
• 2.4 水力劈裂发生的力学机理
• 2.5 本章小结
• 3 水力劈裂的有限元模拟方法
• 3.1 引言
• 3.2 水力劈裂有限元分析方法研究概述
• 3.3 水力劈裂有效应力分析方法和总应力分析方法比较研究
• 3.3.1 有效应力分析方法的研究
• 3.3.2 总应力分析方法的研究
• 3.4 水力劈裂有限元分析方法比较
• 3.5 小结
• 4 水力劈裂影响因素的敏感性分析
• 4.1 概述
• 4.2 研究方法
• 4.3 材料参数对水力劈裂的影响
• 4.3.1 泊松比的影响
• 4.3.2 心墙与坝壳弹性模量的影响
• 4.3.3 密度对水力劈裂的影响
• 4.3.4 心墙坡度对水力劈裂的影响
• 4.4 小结
• 5 水力劈裂影响因素的进一步讨论
• 5.1 引言
• 5.2 研究方法
• 5.3 心墙泊松比与坝壳与心墙的弹模比的取值范围
• 5.3.1 坝体1在设计工况下的计算结果
• 5.3.2 坝体2在设计工况下的计算结果
• 5.3.3 心墙泊松比与坝壳与心墙的弹模比的取值范围
• 5.4 本章小结
• 6 踏卡河某水电站粘土心墙坝水力劈裂的三维有限元分析
• 6.1 工程简介及计算目的
• 6.2 应力计算的模型与方法
• 6.2.1 静力计算本构模型
• 6.2.2 应力计算方法
• 6.2.3 有限元计算软件简介
• 6.3 计算条件与计算过程
• 6.3.1 计算区域与坐标的选取
• 6.3.2 单元网格划分
• 6.3.3 计算用材料参数
• 6.3.4 载荷的施加方法与约束条件
• 6.3.5 计算结果整理方法
• 6.4 三维有限元计算结果分析
• 6.4.1 主要的计算结果
• 6.4.2 计算结果的分析
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 主要研究结论
• 7.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录