坝前压重对土石坝静动力特性影响研究

论文摘要

土石坝在防洪和兴利方面都发挥了巨大效益,我国水库大都建在上世纪50年代末70年代初,年久失修,病险水库较多,严重影响水库防洪安全和正常效益的发挥,土石坝中粘土心墙坝占很大比例,由于历史原因,大部分砂壳回填密实度低,不能满足规范要求的相对密度不小于0.8的要求,而且许多坝坝基也为砂型地基,未做基础处理,其天然密实度也达不到规范要求,不能满足抗震、液化的要求,对大坝安全构成极大危害。在对砂壳及坝基砂层加固措施中大坝上游坝脚进行抛石压重是比较有效、经济的办法,为工程设计人员最为常用的工程加固措施之一,但规范及设计手册均未规定压重长度、高度的取值,特别是存在坝基砂层的情况下,在保证工程的安全,节约投资前提下,如何确定压重的尺寸,探明坝前压重对土石坝的静动力特性影响是土石坝设计及科研工作者急切需要解决的问题。本文首先介绍了坝前压重加固土石坝的基本原理,选择中小型土石坝杨庄水库除险加固实际工程作为典型代表,采用理论分析、数值分析相结合的方法探讨研究坝前压重对大坝静动、力特性影响。计算结果表明坝前压重可以有效提高中小型粘土心墙砂壳坝坝体抗滑稳定性,压重长度应在0.45-0.55倍坝高左右,压重高度应至少在0.19倍坝高以上,越高则安全系数越大,但不宜超过0.3倍坝高,否则造成投资过大,施工困难及资源浪费；坝前压重可以有效的提高坝基砂土的初始应力,尤其是坝轴线距压重体较近处应力增加明显,其最高可达150%,随着离压重体越来越远,压重对坝基砂土应力影响越来越小；根据有限元分析其影响范围大约为距压重体100m左右：压重可以有效减小坝体遭遇地震荷载时质点位移、坝体应力、主应力振幅,有效提高坝体稳定性。压重之后坝体动位移得到明显降低,其振幅降为原来1%；且应力曲线更趋平稳,坝基和坝体节点时程动力曲线显示坝顶节点位移振幅远远大于了坝基的节点振动范围,验证了坝体在遭遇地震荷载的鞭梢效应。本文的研究结论与杨庄水库、牟山水库及马河水库等水库除险加固工程中坝前压重设计参数对比分析,理论结论与工程实际相吻合,进一步验证本文研究的实用性及科学性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.4 技术路线与创新点
• 1.4.1 技术路线
• 1.4.2 本文的创新点
• 2 坝前压重对土石坝静力特性影响研究
• 2.1 坝前压重加固土石坝机理
• 2.2 坝前压重对坝坡抗滑稳定影响研究
• 2.2.1 坝坡稳定计算方法
• 2.3 坝前压重对坝坡稳定分析
• 2.3.1 工程概况
• 2.3.1.1 流域自然地理概况
• 2.3.1.2 水文气象
• 2.3.1.3 地形地貌
• 2.3.1.4 地层岩性
• 2.3.1.5 地质构造
• 2.3.2 压重对大坝抗滑稳定影响静力计算
• 2.3.2.1 计算模型及计算参数
• 2.3.2.2 压重长度对大坝的稳定影响
• 2.3.2.3 压重高度对大坝的稳定影响
• 2.3.3 强度折减法计算坝坡稳定
• 2.3.3.1 强度折减法原理
• 2.3.3.2 强度折减计算
• 2.4 坝前压重对土石坝静力有限元分析
• 2.4.1 Ansys简介
• 2.4.2 土的本构关系
• 2.4.3 土体本构模型的评价
• 2.5 无水工况下坝前压重对坝体静力影响
• 2.5.1 无水工况下坝前压重长度对坝体静力影响
• 2.5.2 无水工况下坝前压重高度对坝体静力影响
• 2.6 设计水位工况下坝前压重对坝体静力影响
• 2.6.1 静水工况下压重长度对大坝的应力影响分析
• 2.6.2 静水工况下压重高度对坝体静力特性影响
• 2.7 本节小结
• 3 坝前压重对土石坝动力特性影响分析
• 3.1 引言
• 3.2 结构动力计算的基本原理
• 3.2.1 结构振动的基本方程
• 3.2.2 特征值和特征向量的解法
• 3.2.2.1 子空间迭代法
• 3.2.2.2 Unsymmetric法
• 3.2.3 自振频率和振型的计算
• 3.3 动力有限元分析方法
• 3.3.1 模态分析
• 3.3.2 瞬态动力学分析
• 3.4 坝前压重对大坝稳定动力影响分析
• 3.4.1 静力有限元分析
• 3.4.2 动力非线性本构关系
• 3.5 动力计算
• 3.5.1 时程分析法分析
• 3.6 工程应用实例
• 3.7 本节小结
• 4 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 5 参考文献
• 6 致谢
• 7 读学位期间发表论文情况