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水利工程论文-拱坝-地基破坏的数值模型与溃坝仿真.doc

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水利工程论文-拱坝-地基破坏的数值模型与溃坝仿真.doc

水利工程论文-拱坝-地基破坏的数值模型与溃坝仿真摘要:本文使用刚体弹簧元模型来模拟拱坝-地基这类非连续介质和连续介质组成的系统,对一个悬臂梁的位移场和应力场的计算并与有限元方法计算结果的对比表明,这种方法具有良好的精度.应用这一模型对玛尔帕塞拱坝的溃坏进行了仿真,重现了拱坝的破坏过程,探讨了拱坝坝肩滑动失稳的原因,计算结果表明坝肩岩体裂隙和断层的强度不足是导致整个拱坝溃毁的关键因素.关键词:三维刚体弹簧元拱坝地基破坏拱坝仿真近年来,用非连续介质力学模型研究高坝地基、高边坡与地下工程的变形稳定有长足进展,离散元[1~4]、DDA[5]、刚体弹簧元[6]等的发展提供了求解非连续介质力学问题的有效工具.关于高坝-地基系统的破坏机理与仿真分析,由于问题的极端复杂性,迄今仍未见诸报导,本文利用改进的刚体弹簧元研究玛尔帕塞拱坝溃坏的机理与过程,是试图用连续-非连续介质统一的数值模型研究高坝-地基系统破坏过程的尝试.法国玛尔帕塞拱坝1959年12月2日的溃坝事故是坝工史上的重大事件[7,8],引起了坝工界的极大重视.世界各国专家和学者从未停止过对玛尔帕塞拱坝失事原因的探究,并提出了各自见解[9],归纳起来有以下3种看法:(1)坝基变形,认为左岸坝基修建在弱风化顶层上,岩体弹性模量低,仅1000MPa左右,地基的过大变形使拱的推力向上向下转移,其中向上转移的推力使左岸重力墩超载而产生位移,导致拱坝失去支撑而破坏.(2)坝体上滑失稳,认为岩体浅层的裂隙在不利的条件下不能提供足够的抗滑力,致使坝体沿建基面向上和向下游滑动,拱圈拱弦被拉长,使坝沿一岸或两岸拱端转动,导致拱冠断裂,坝体崩毁.(3)坝肩岩体滑动,认为左岸坝基存在一个潜在的由下游断层、发育的节理面,以及下游临空面组成的滑动楔形体.由于地质条件在楔形岩体上游侧形成很高的静水扬压力使岩体滑移失稳.本文利用改进的三维刚体弹簧元对玛尔帕塞拱坝的失稳破坏过程进行仿真,对该坝的失稳机理作进一步的探讨.1拱坝破坏仿真模型1.1三维刚体弹簧元模型假定三维刚体弹簧元的单元块体为不可变形的刚性体,在引入了刚度、强度等效准则后,将块体变形与强度指标统一集中于接触弹簧上.块体的运动符合刚体的平动和转动定律,块体与块体依靠相互之间连接的切向和法向弹簧和阻尼器来传递相互之间的作用,如图1.弹簧的作用力由块体间的相对位移确定.如图2,块体P对块体Q的相对位

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