长服役期重力坝整体安全性研究与加固施工数值仿真分析

论文摘要

早期建造的混凝土重力坝随着龄期的增长,坝体的老化特征日益严重和突出,寻求解决坝体老化问题的理论研究与工程处理措施变得越来越重要和紧迫。大坝老化隐患的研究需要对多种老化现象及其根源进行详细分析,相关的理论研究可以形成一个系统的理论体系。本论文就与长服役期混凝土重力坝纵缝力学特性相关的大坝整体安全性问题及坝体修复加固措施的数值仿真分析方法进行了详细研究,具体包括如下几项研究内容:基于长服役期混凝土重力坝纵缝中存在大量堆积、沉淀物质的特殊现象（因早期施工原因和坝体老化而出现的一种特殊的工程现象）,提出了该类型接缝的有限元数值计算模型。根据有限元接触力学基本理论建立了适合模拟这种纵缝结构的具有厚度的接触面单元（接缝单元）,该单元不仅能够模拟纵缝接触界面的张开、闭合与滑移特性,还能考虑缝内物质的本构关系,尤其是在接缝单元的法向刚度特性上提供了新的计算模式,既能有效地控制法向嵌入,又能较好地模拟出接缝单元的法向受力特性:在有限元求解方法上,通过采用增量迭代法实现了强度校核时的结点不平衡力计算与控制单元法向嵌入时的接触状态调整同步进行。在这些研究的基础上编制了简单实用的有限元求解程序Joint 2D,通过数值算例验证了该程序的接触界面模拟能力和计算精度。之后,将该程序应用到实际工程问题中,明确了纵缝界面不同力学参数对纵缝结合程度的影响。在实际工程中,混凝土重力坝接缝特征力学参数的确定是工程接触力学应用的难点。已有的研究表明,基于计算智能的位移反分析方法是一种非常有效的参数反演方法,采用智能化反演分析方法确定大坝接缝的力学参数是一个新兴的课题。本论文在对重力坝纵缝这一非线性结构的力学特性参数进行分析研究后,提出了基于遗传算法的优化反演方法,创新性地实现了带纵缝重力坝坝体弹性参数及坝体纵缝摩擦系数两个方面参数的联合反演。在研究过程中,应用了两个强有力的工具:一个是用于模拟纵缝的大型通用有限元软件ANSYS中的面一面接触单元,ANSYS中采用高效的接触迭代算法可合理、有效地求解纵缝接触问题,这为纵缝的合理模拟和接触界面参数的识别提供了强有力的保障:另一个是遗传算法,它是目前计算智能方法中相对最为成熟的一种算法。本论文通过数据接口实现了两个工具的有机结合。相应的研究结果证明了本论文提出的联合反演方法的高效性、合理性与实用性,可为明确纵缝的力学特性及其对坝体整体安全性的影响提供了一种有效手段。本论文还提出了接触非线性坝体结构的静、动荷载组合作用的实用分析方法体系,用于带纵缝混凝土重力坝抗震特性分析。该方法体系主要包括LS-DYNA3D程序的显式动力学有限元方法,模拟纵缝的对称罚函数接触算法,考虑结构—地基相互作用的黏弹性人工边界以及该边界上地震波动的输入方法,结构静力问题的动力学求解方法四项主要内容。本论文对该方法体系中的关键问题进行了理论推导和算例证明。相关研究表明,该方法体系计算效率高,计算过程容易实现,可为求解大型工程问题提供有效的解决方案。然后,采用该方法体系对带纵缝混凝土重力坝的静、动力特性进行了分析,研究了纵缝在静、动力荷载作用下的反应特性及其对大坝抗震性能的影响。最后,本论文提出了既能模拟大体积混凝土动态施工方式、施工进度计划,又能够模拟边界条件、荷载、材料性能的变化,尤其是能够对施工过程中坝体结构温度变化和新浇混凝土的热力学影响进行计算分析的大坝修复加固施工数值仿真分析方法。该方法的技术手段是以大型商业通用有限元软件ANSYS为计算平台,利用该软件自带的APDL（ANSYS Program Design Language）程序语言进行二次开发,编写施工过程有限元数值仿真程序。本论文结合长服役期混凝土重力坝的创新性全面修复加固方案——坝体内置换混凝土防渗墙加固方案,编写了针对该方案的施工过程数值仿真程序,并利用该仿真程序研究了方案施工期的坝体结构安全性状况,明确了方案施工过程中的部分关键施工技术问题和所需采用的安全措施,为修复加固方案的论证和实施提供了理论支撑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的选题背景
• 1.1.1 混凝土重力坝的老化现象及安全问题
• 1.1.2 实际工程中亟待解决的大坝整体安全性问题
• 1.1.3 解决坝体安全问题的全面性修复加固措施
• 1.1.4 实际工程中几个理论分析难点
• 1.2 力学中接触问题研究进展
• 1.2.1 接触问题理论研究的发展阶段
• 1.2.2 接触问题的有限元数值分析方法
• 1.3 大坝坝体接缝动力特性研究进展
• 1.3.1 动力接触有限元研究进展
• 1.3.2 动力接触问题的有限元离散方法
• 1.3.3 坝体接缝的动力有限元接触模拟
• 1.4 大坝坝体接缝参数反演分析研究现状
• 1.4.1 关于大坝的参数反演
• 1.4.2 参数反演的位移反分析法
• 1.4.3 数值反演分析中的计算智能方法
• 1.4.4 坝体接缝参数的反分析研究状况
• 1.5 大体积混凝土施工过程数值仿真分析现状
• 1.5.1 计算规模与计算速度问题
• 1.5.2 数学、力学模型问题
• 1.5.3 计算参数真实描述问题
• 1.6 本论文主要工作
• 2 有限元静力接触基本理论
• 2.1 有限元静力接触问题的一般描述
• 2.1.1 单边接触定律
• 2.1.2 Coulomb摩擦定律
• 2.2 接触问题的基本方程
• 2.3 接触体系虚功方程
• 2.3.1 不发生相对滑动时的虚功方程
• 2.3.2 发生相对滑动时的虚功方程
• 2.4 接触问题的有限元计算公式
• 2.5 本章小结
• 3 考虑重力坝纵缝结合程度的有限元数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 考虑缝间物质特性的静力接触模型
• 3.2.1 接缝单元的单元模式
• 3.2.2 接缝单元虚功方程
• 3.2.3 接缝单元坐标系变换
• 3.2.4 接缝单元特性描述及有限元求解
• 3.3 数值算例验证
• 3.3.1 法向嵌入调整算例
• 3.3.2 切向调整算例
• 3.3.3 土中埋管算例
• 3.4 工程实例分析
• 3.4.1 大坝坝体的物理力学特性
• 3.4.2 纵缝计算参数的取值
• 3.4.3 纵缝参数调整计算结果对比
• 3.4.4 缝内物质对坝体变形与应力影响分析
• 3.5 本章小结
• 4 混凝土重力坝纵缝力学参数的分析与反演
• 4.1 引言
• 4.2 增广 Lagrange静力接触模型
• 4.2.1 接触模式
• 4.2.2 接触压力定义
• 4.2.3 摩擦定义
• 4.3 改进遗传算法的描述
• 4.3.1 遗传算法的特点
• 4.3.2 遗传算法的改进
• 4.4 重力坝纵缝摩擦系数反演的支撑基础和重要步骤
• 4.4.1 有限元模型与坝体纵缝参数敏感性分析
• 4.4.2 坝顶水平位移水压分量的分离
• 4.5 带缝重力坝坝体参数反分析模型及遗传算法运用
• 4.5.1 反问题目标函数和遗传算法适应度函数的建立
• 4.5.2 基于遗传算法大坝弹性模量反演方法
• 4.5.3 反演参数选取及计算结果分析
• 4.6 重力坝纵缝摩擦系数反分析模型及遗传算法运用
• 4.6.1 纵缝摩擦系数反演分析方法
• 4.6.2 纵缝摩擦系数反演计算方案
• 4.6.3 纵缝摩擦系数反演参数取值
• 4.6.4 纵缝摩擦系数反演计算结果
• 4.7 本章小结
• 5 考虑纵缝影响的混凝土重力坝地震动力特性分析
• 5.1 引言
• 5.2 时间显式积分动力有限元算法理论基础
• 5.2.1 动力有限元控制方程
• 5.2.2 时间积分和时间步长控制
• 5.3 基于罚函数的动力接触模型
• 5.3.1 动力接触模型简介
• 5.3.2 对称罚函数接触算法
• 5.4 动力人工边界及波动输入
• 5.4.1 黏弹性（动力）人工边界
• 5.4.2 波动输入方法
• 5.5 静力作用效应的动力有限元解法
• 5.5.1 静动组合计算中的静力求解方案
• 5.5.2 动力方法求解静力问题的可行性验证
• 5.5.3 基于显式有限元方法的静动力组合
• 5.6 算例及其分析
• 5.6.1 动力学分析中的黏弹性人工边界
• 5.6.2 带缝坝体静力作用的显式动力学求解
• 5.7 工程实例分析
• 5.7.1 有限元模型及计算工况
• 5.7.2 静动力荷载组合作用下纵缝对坝体安全性的影响
• 5.8 本章小结
• 6 混凝土重力坝全面性修复加固施工数值仿真分析研究
• 6.1 引言
• 6.2 数值仿真计算中的相关理论简介
• 6.2.1 施工过程有限元数值仿真理论简介
• 6.2.2 温度场及温度应力分析有限元理论简介
• 6.2.3 稳定温度场的瞬态分析理论简介
• 6.3 工程实例数值仿真分析内容简介
• 6.3.1 计算分析内容
• 6.3.2 计算基本资料
• 6.4 坝体开挖尺寸初步论证
• 6.4.1 计算荷载组合及工况
• 6.4.2 防渗墙施工坝体开挖尺寸论证结果
• 6.5 防渗墙加固方案施工过程坝体静动力有限元结构分析
• 6.5.1 施工过程模拟工况
• 6.5.2 有限元计算模型
• 6.5.3 施工过程结构仿真计算结果及分析
• 6.5.4 防渗墙施工过程结构安全性分析小结
• 6.6 防渗墙加固方案施工过程温度应力有限元仿真分析
• 6.6.1 有限元计算模型
• 6.6.2 计算工况、荷载组合与施工进度
• 6.6.3 加固施工前计算成果与分析
• 6.6.4 加固施工过程中温度场与温度应力仿真成果分析
• 6.6.5 加固施工过程中新浇混凝土多因素敏感性分析
• 6.6.6 防渗墙施工过程温度应力仿真分析小结
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢