（水工结构工程专业论文）大尺寸泄洪孔对浆砌石拱坝坝体应力影响研究.pdf

摘要 砌石拱坝是国内富有生命力的一种当地材料坝，它具有就地取材、便于防洪 渡汛、施工简单、投资较省且安全性能好等优点，因此在坝工建设的发展过程中， 这种坝型得到了广泛的发展。 对于库区无适宜垭口可兴建泄洪道，而泄洪量又较大的拱坝工程，在坝身中 开设大孔口泄洪具有显著的优越性。但开孔后破坏了该部位结构的整体性，使其 受力情况复杂化。坝身中的大孔口对坝体应力状态及安全度的影响是设计人员十 分关心的问题。 砌石拱坝因材料等特性不同于常规混凝土拱坝，目前在坝体上开设大尺寸孔 口的情况还不多见，因此有必要研究大尺寸孔口对砌石拱坝整体受力的影响。 本文结合福建古田双口渡浆砌石拱坝，针对在中小型砌石拱坝上开设大尺寸 孔口问题，采用三维有限单元法分析了在正常静力荷载作用下拱坝整体的应力与 位移，进行了开孔拱坝有限元等效应力分析，并对大坝进行不开孔及开孔情况进 行比较，得出双口渡浆砌石拱坝在坝顶开设大尺寸孔口对坝体正常运行是没有影 响的。 坝身开设孔口主要目的是为了泄洪，泄洪时水流脉动压力对坝体结构动的影 响是设计人员关心的另一课题，论文针对双口渡浆砌石拱坝进行了分析，研究结 果表明：在考虑坝体一库水相互作用时坝体自振频率和水流脉动压力的优势频率 相差较大，坝体的一阶振动远离脉动水流的高能量范围，二者不会发生共振。坝 体在脉动水流作用下，总体来说应力水平很低，因此闸门泄水产生的脉动水流不 会对坝体产生明显的不利影响。 在计算中，溢流坝段闸墩其它部位结构相连接处采用非协调网格，并且应用 局部非协调网格协调位移解法进行计算。从而达到不失计算精度，提高求解效率 的目的，保证了求解结果的稳定性。 关键词：大尺寸孑l 口、浆砌石拱坝、等效应力、局部非协调网格协调位移解法、 随机振动、流固耦合 a b s t r a c t t h em a s o i l r ya r c hd 锄w a sv i t a lt y p eo fl o c a lm a t 嘶a 1d 锄，t h 盯ea r es o m e a d v a n t a g e su s i n gm a s o r 珂a r c hd a m ，s u c ha so b t a i n i n gr a wm a t 甜a l sl o c a l l y ；c o m i n g t h m u g hf l o o dp e r i o de a s i l y ，c o n s t m c t i o ns i m p l y ，s a 、，i n gi n v e s t n l e n ta n dh a 、，i n gg o o d s a f 酞yf e a t u r e s os u c ht y p ed 锄h a sb e e nw i d e l yp r o m o t e di nt l l ec o l l r s eo fd 锄 o o n s t n l c d o n f o rm ea r d hd 帅w h i c hr e s e r v o i rh a sn os u i t a b l eb r e a c ht ob u i l dl a s h e ra n dh a s m a s sn o o dd i s c h a r g e ，o p c n i i l gl a r g e 嘶矗c ef o rn 0 0 dd i s c h a r g eh a sg r e a ta d v a j l t a g e b u t l el a r g eo r i f i c ew e a k e l l i n g 幽ew h 0 1 es m l c t i l r e ，m a k i n g 血ef o r c ed i s t r i b u t i o n c o m p l e x t oc a n 了o u tt h e 趾a l p i sf o rt h ca r c hd 锄w h i c hs e m n gl a r g eo r i f i c ew a sa o n eo f 血ei m p o r t a n tp r o b l 锄si n l ea r c hd a m d e s i g ni nh o m ea n do u t t h em a s o l l r ya r c hd 锄w a sd i 廿b r e n t 耐山m e 学巳1 1 e r a la r c hd 肌1o nm ef b a t u r eo f m a t 嘶a 1a 1 1 do t h e n v i s e ，i tw a ss e l d o mt os e t t i n gl a r g eo r i f i c eo ni t s oi tw a sn e c e s s a r y t or e s e a r c hm em n u e n c ew l l i c hl a r g eo r i 丘c ec a u s e dt ot l l ed a m t h ep a p e rc o m b i n e dg u t i a ns h u a n 畦o u d um a s o n r ya r c hd a n l ，a i m e da tt h e p r o b l 锄 t h a t s e m n gl a r g e o r i 丘c eo nm i d s m a l lm a s o n r ya r c hd a i l l ，a p p l y t h r e e d i m e l l s i o nf i n i t ee l e n l e n tm e m o dt oa n a l y s i s 血ei m p a c to ft l l eo r i f i c eu p o nt l l e d 锄a saw h 0 1 eu n d e rt h es t a d cl o a d u s e l em e t h o do ff i n i t ei n t e m a lf b i et o a i l a l y s i sm ed 锄w h i c hh a s1 a r g eo r i f i c e 1 1 1 r o u g ht h es t a t i cp m p e r t yc a l c m a t et o 1 e t w oi n s t a n c e st l l a ts e t t 血go r i 丘c eo rn o t ，w ec o u l df i n dt h e1 a r g eo r i f i c eo nt h ed 锄h a s s d d o mi m p a c tu p o nm es e c l l r ew o d d n go f m ed 锄 1 1 1 ep u r p o s co fo p e n j n gt l l eo r i f i c ew a st os l u i c e ，n l ei n n u e i l c eo fn u c m a t i n g p r e s s u r cu p o n l ed a mw a sa 1 1 0 t h e rp m b l 锄w h i c hw a sc o n c 锄e db ye n g i l l e 乱1 1 1 e 口a p e ra n a l v z e ds h u a n 吐o u d um a s o r l r ya r c hd 锄t h er e s u l ti n d i c a t e dt l l a t 血ed 锄 n 剖 u r a l 丘e a u e n c i e sw l l i c hc o n s i d e rt h ed 帅a n dm er e s e o i rw a t e ri n t e r a c t i o nh a v e 謦e a td i 行爸r e n t t h ep r e p o n d e r a n t 矗e q u e n c i e so fn u c t i l a t i n gp r e s s u r e ，t h ed 锄s f i r s tr 甜止o fv i b r a t i o nw a sf ha w a y 丘o m l eh i g he f l e 唱yr e 百o no fm en u c t l l a t i n g f l o w ，s ot h es v r n p a m e t i cv i b m t i o nw o u l dn o tta ：k ep l a c e t h ed 锄ss t r e s s1 e v e lw a s l o w n e s su n d e rt h ef l u c t u a t i n gp r c s s u r e ，t h eo b v i o u sb a di n n u e n c ew o u l dn o tt a k e p l a c ew es l u i c i n g 1 1 1m ec a l c u l a t i n 臣t h el o c a li n c o m p a t i b l em e s hw a sa d o p t e da tt h ej o i n to ft h e p i e ra 1 1 d o t h e rs t m c t i l r e ，t l l e n 印p l yc o m p a t i b l ed i s p l a c 锄c r l tm c t h o do f1 0 c a t i n c o m 口a t i b l em e s ht oc a l c u l a t e c o n s e q u e n t l y 也ep r e c i s i o nc o u l db es a t i s f i e dw h i l e i m p r o v e d l ee m c i e n c yo f t l l ec a l c u l a t ea r l de n s u r e dm es t d b i l i t yo f m er e s u l t k e y w o r d s ：l a r g eo r i f i c e ，r r l a s o n r ya r c hd a m ，e q u i v a l e n ts t r e s s ，c o m p a t i b l e d i s p l a c e m e n te t h o do fl o c a li n c o r r l p a t i b l em e s h ， r a n d o mv i b r a t i o n n u i d s o l i dc o u p l e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：客穗即2 0 0 6 年6 月1 0 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：纭堡p 一2 0 0 6 年6 月1 0 日 河海大学颁士学位论文 第一章绪论 1 1 拱坝与浆砌石拱坝的发展 世界上最早的坝是为满足大型水利工程的需要而兴建的，早期的坝利用坝身自重 来抵挡水压力，大多是土坝或堆石坝。在国外，古罗马人把在建设桥梁方面已有成熟 经验的“拱”引进到坝工中。1 8 世纪发现的法国圣里米省南部建于罗马时期高1 2 m 的鲍米( b a u i i l e ) 坝( 遗址) 被认为是最古老的拱坝。 在中世纪，伊朗人也修筑了不少拱坝，这些拱坝仍然保持着最古老的型式。最著 名的凯巴( k e b a r ) 坝，位于德黑兰南面1 6 0 公里，最大坝高2 6 m ，坝的中央部分曲 率适中，坝体十分坚固。坝的上游面垂直，下游面倾斜，砌石的厚度顶部为6 m ，坝 基为9 m 。最为惊人的还是库雷特( k 嘶t ) 坝，它位于克胡雷申南部距德黑兰东南6 2 0 公里处，坝高6 4 m ，比凯巴坝高两倍多。 位于库雷特坝西北大约4 0 公里处的沙赫阿贝斯( s h a la b b a s ) 坝也建在峡谷 中。坝体施工时，清基不彻底，当水库刚一蓄满，左岸覆盖层和坝基就一起被冲掉了， 从坝的残留部分可以看出该坝是采用了块石拱从下面支撑坝体的，伊朗的坝工在当时 无疑已达到了一个新的高度。 西班牙南部早期的曲线坝是很坚固的建筑物，坝体稳定主要靠重力，拱的作用很 小。艾利肯蒂( a 1 i c a n t e ) 西北部8 0 公里的艾尔曼萨( a l m a l l s a ) 坝于1 3 8 4 年修建了 1 5 m 高的曲线坝部分，在1 5 8 6 年又加高6 m 折线形的重力坝。梯比( t i b i ) 坝自1 5 8 0 年至1 5 9 4 年建成，该坝距艾利肯蒂北部2 0 公里左右，坝高4 2 m ，坝体很厚。这两座 坝都是用石灰砂浆砌毛石而成，坝的表面还仔细地安砌了料石。 伊尔切( e l e h e ) 坝是一座纯拱坝，位于艾利肯蒂西部大约2 0 公里处，1 6 3 2 年开 始施工。该坝是2 3 m 高的圆筒形拱，从坝的长高比来看，主拱的曲率十分适中，主 拱的右拱肩上部支承在岩体上，这种作法在过去的拱坝中经常用到，甚至有些坝两肩 部支承在岩体上。主拱的左拱端有一条狭窄的冲沟，用较小的次拱跨过冲沟支承在岩 体上，并有一段短翼墙将上游水库隔开。工程巧妙地利用了坝址的地形特征，同时满 足了主拱的应力分配，足以说明该坝的设计者已具有较好的结构力学方面的见解。 第一章绪论 蓬特一艾尔扎( p o n t ea l t o ) 防洪坝也是一座纯拱坝，建于意大利北部靠近特伦 托( t r e n t o ) 非常狭窄的佛西纳( f e r s i n a ) 峡谷里。1 6 1 1 年开始修建，最初坝高仅5 m ， 后曾7 次加高，于1 8 8 7 年达到其最终高度3 9 m ，坝体等厚。 尤尼斯( j o n e s ) 瀑布坝，位于加拿大，1 8 2 8 年至1 9 3 1 年为施工期，坝高1 9 m ， 从坝顶到坝底都很厚，特别值得提到的是该坝的宽高比值达到5 6 ，这在当时是空前 的。而且砌体块石不象通常那样呈水平方向安放，而是将块石侧立起来砌筑。在上游 面还回填了粘土，作为一层附加的隔水层，这也是罕见的。 法国的左拉( z o l a ) 坝于1 9 5 4 年建成，高4 3 m ，曲率适中，相当坚固，外形美 观，是一座非常好的建筑物，它是第一座按拱坝的应力分析进行设计的工程，计算中 假设坝由许多独立的拱圈组成，每个拱都得承受该拱圈所处库水位以下水深的总压 力，用“圆筒公式”以压力与细长比( 拱的厚度与半径之比) 的乘积求出每个拱上的 平均应力。 帕雷玛特( p a a m e n a ) 坝位于澳大利亚悉尼的东部，于1 8 5 5 一1 8 5 6 年修建。是 一座高1 6 m 的小拱坝，其特点是宽高比较大，又很单薄。1 8 9 8 年在砌石体的顶部又 增高了3 m 混凝土体【”。 中国修建拱坝的历史并不久远。第一座拱坝建造于1 9 2 7 年，福建厦门的上里浆 砌石拱坝，坝高2 7 3 m 。解放以后，开始大规模修建拱坝。响洪甸重力拱坝是第一座 高拱坝，坝高8 7 5 m ，1 9 6 1 年建成。1 9 5 8 年建成了流溪河拱坝是我国第一座混凝土 双曲拱坝，坝高7 8 m 。从2 0 世纪7 0 年代起，我国的拱坝建设进入了高速发展期。如 1 9 7 3 年建成的陕西石门双曲拱坝，坝高8 8 m ，1 9 7 4 年建成的广东泉水双曲薄拱坝， 坝高8 0 m 。近年建成的湖南风滩空腹重力拱坝，坝高1 1 2 5 m 。1 9 7 0 年建成的湖南欧 阳海双曲拱坝，坝高5 8 m ，开设大孔口泄洪( 孔口面积8 0 5 m 2 ) 取得成功。贵卅i 猫 跳河中先后( 在六十、七十年代) 建成的三座中型拱坝，因地制宜，体形多样。三级 修文水电站单曲拱坝采用厂房顶溢流的型式，四级窄巷口水电站为避免覆盖层外开 挖，采用溢流双拱坝型式；六级红岩水电站采用双曲薄拱坝中孔泄洪型式。据国际大 坝委员会统计，截至1 9 8 6 年底，全世界已建的坝高大于1 5 m 的拱坝共1 6 0 8 座，其中 中国有7 5 6 座，占4 7 0 ，数量居世界首位。 砌石拱坝是近年来围内发展较广泛的一种坝型，在已建2 4 3 座高、中拱坝中，混 河海大学硕= l 学位论文 凝土拱坝共3 4 座( 占1 4 ) ，多系大中型工程，砌石拱坝2 0 9 座( 占8 6 ) ，系中小 型工程。在五十年代及六十年代，河南、河北修建了一批大中型砌石重力拱坝，湖南 修了一些一般厚度及规模的砌石拱坝，接着川、浙、闽、黔、晋、鲁、桂等地在大量 修建砌石小拱坝( 坝高1 5 m 以下) 的基础上逐步发展了一些中小型甚至大中型砌石 拱坝。七十年代中遍布十余省的中小型砌石拱坝迅速发展。据十六个省不完全统计， 坝高1 5 m 以上的砌石拱坝修建座数，五十年代为2 1 座( 在这之前仅2 座) ，六十年 代为1 1 2 座，七十年代猛增到6 2 1 座。前后j 十年修建数之比为1 ：5 - 3 ：2 0 6 。七十年 代以来砌石拱坝的发展趋向也与国外情况类似，如坝的体型多样、允许应力的提高、 坝身增高、坝体渐薄、建坝条件有所放宽等方面。目前国内最高的砌石拱坝，为1 9 7 1 年建成的河南省的群英重力拱坝，高1 0 1 3 m ，库容1 9 3 9 万m 3 。 1 2 砌石拱坝的特点 砌石拱坝作为拱坝的一种重要类型，它具有拱坝的所有特点：首先坝体应力状态 以受压为主，这一特性能适应坝体材料( 砌石) 抗压强度高的特点，使材料的强度较 能充分发挥；其次，拱坝的荷载主要是通过拱的作用传递到坝端两岸，所以拱坝的稳 定性主要是依靠坝端两岸岩体来维持，而不像重力坝主要靠自重维持，因此拱坝的体 积较重力坝小得多，在坝址、坝高条件相同的情况下，拱坝体积可为重力坝的1 1 5 1 5 ，从而节省了材料。而且，拱坝属于高次超静定的空间壳体结构，具有相当强的 承载能力。当外荷载增加或拱坝某局部开裂时，坝体应力可以自行调整，只要坝肩稳 定可靠，坝体安全袼度一般较大。国内外拱坝结构模型破坏试验表明：混凝土拱坝的 超载能力可达设计荷载的5 1 1 倍。 砌石拱坝除拥有拱坝的所有优点外，自身特有的优点主要表现在以下几方面： 1 能就地取材； 2 对工期及资金的要求较为灵活，便于劳务及资金积累，当资金或劳力不足时， 可随时停工，筹好时续建； 3 便于防洪渡汛； 4 可采用整体上升的施工方式，从而边施工边受益； 5 施工机械化程度要求不高，几乎不需昂贵的施工设备，可以土法上马，施工 - 3 - 第一章绪硷 技术也易为群众掌握，从而较能适应我国目前的技术经济条件； 6 温控问题较混凝土坝简单，由于浆砌石体的热胀系数和弹性模量都较混凝土 低，浆砌石拱坝的温度应力通常仅为混凝土拱坝的4 0 以下，浆砌石重力坝经过论 证常可不设横缝，整体上升； 7 单价较低，投资较省，据以往经验，水泥砂浆砌石体的单价约为一般标号的 混凝土的一半左右，并可节省水泥、砂料和模板，加以温控问题简单，所以一般浆砌 石坝投资较混凝土坝要省的多 2 】o 结构形式多样化，是近年来我国砌石拱坝发展的一大特点。砌石拱坝为了适应轻 型化的要求，或稳定等方面要求，出现了多种坝型。国内不少中型砌石拱坝采用细石 混凝土作为胶结材料，提高了砌体的整体性和强度。体型上多采用双曲拱坝，有利于 发挥坝体材料的抗压强度，使结构趋向轻型化。如1 9 7 2 年建成的浙江桐杭溪双曲拱 坝，坝高4 8 m ，底厚5 m ，厚高比仅o 1 0 4 。另外，有的地方修建了设置周边缝的薄的 小拱坝，如安徽寨西拱坝，坝身为浆砌块石，单曲溢流，于1 9 7 2 年建成。该坝高1 5 9 m ， 厚高比o 0 7 5 。目前已建成较高的周边缝砌石拱坝有广西天生桥拱坝( 最大坝高 3 1 6 3 m ，底缝以上坝高2 5 8 m ) 及白云江拱坝( 最大坝高3 5 1 m ，底缝以上坝高2 3 1 m ) 【3 】。此外，已建成的其他体型的砌石拱坝还有四川鱼鳞碑砌石“拱上拱”坝( 高3 6 9 m ) 、 广西大廖( 高4 3 m ) 、大莫( 高3 1 m ) 和孔芬( 高2 4 5 m ) 等砌石空腹拱坝，贵州大 飞水( 高3 8 5 m ) 上重下拱式混合型拱坝，以及贵州红卫( 高3 2 3 m ) 三心拱砌石重 力拱坝、甘河沟( 高3 6 5 m ) 二心拱砌石拱坝，山西陈村峪( 坝高5 6 5 m ) 对数螺线 形砌石拱坝、抛物线砌石拱坝等5 1 。 我国砌石坝在不长的时间内能得到广泛的应用主要是因为它比较适应当时的水 利水电工程的许多地区的自然条件及社会经济条件。砌石坝适用范围较广，从地形地 质来说，一般在中小型工程中，凡是能建混凝土坝的地方都能建造同样类型的砌石坝； 从建筑材料来看，凡是石料丰富的地区都有建造砌石坝的条件。建国初期5 0 年代，中 小型水利枢纽工程多集中在平原、丘陵地区，各方面条件都比较好，土坝是这个时期 中小型水利枢纽工程广为采用的一种好坝型，随着我国水利建设规模的不断扩大，水 利设旌必然地向着山区、丘陵地区的纵深地带延伸，这些地区石多土薄，河谷狭窄， 难找合宜的溢洪道位置，洪水暴起暴落，旎工导流与渡汛较为困难，劳力不足，工期 河海大学硕十学位论文 安排要求灵活，运输外来材料较为不便，而当地人民具有采石、砌石的传统习惯，这 些条件促成了砌石坝的发展。因此可以说，砌石坝是与我国生产力水平相适应、为群 众乐于接受的，实践证明是一种富有生命力的当地材料坝。 1 3 坝体泄洪孔影响研究现状 早期的拱坝，坝体内避免开孔，坝顶也不布置泄流。4 0 年代以后通过对坝体孔 洞进行应力计算和模型试验，逐步尝试在坝体内开孔和在坝顶布置溢流取得成功。 通过泄洪建筑物与挡水建筑物结合在一起的混凝土坝( 含砌石坝) 坝体泄洪，是 广泛应用和通常较为经济的泄洪方式。坝体泄洪包括：泄流规模可以很人的泄洪闸坝 和溢流坝泄洪，流量相对较小的中孔和底孑l 泄洪6 i 。 混凝土坝f 含砌石坝1 坝体开设中孔和底孔，承担全部或部份泄洪任务，其流量规 模一般小于表孔溢流坝，但常为满足不同库水位的泄洪要求所需要，有时还常兼负输 水、排沙、排漂、放空等任务。取孔底以上最高水头h 与坝高h 的比值作为判别标 准，可取h 朋= 0 5 作为巾孔与底孔( 或深孔) 的区界。就泄放相同的流量而言，泄水 孔的费用通常较表孔溢流坝为大，两者常同时修建，互相配合。流量越大、水头越高， 泄水孔的技术难度就越大。 高重力拱坝与高双曲拱坝不仅建坝条件不同，而且二者在枢纽布置上有各自的内 在规律：高拱坝泄水建筑物应尽可能采取坝身泄洪方式，当坝身泄洪不能满足设计要 求时，可考虑岸边泄洪方式，以充分体现拱坝的经济性；高重力拱坝在泄洪布置上更 具有重力坝的特征，方式灵活多样，而高双曲拱坝的泄水建筑物布置则多以坝身表孔、 中孔( 深孔) 和底孔等多层泄水孔方式口】。 国外有不少薄拱坝坝身设大孔口宣泄大流量洪水。如赞比亚合罗的西亚的卡里巴 拱坝，高1 2 8 m ，厚3 0 m ，坝身设6 个9 9 m 2 的孔口，泄洪量达1 0 0 0 0 m 3 s ；莫桑比 克高1 6 3 5 m 的卡博拉巴萨双曲拱坝，厚2 3 m ，坝身设8 个6 7 8 m 2 的孔口，泄洪量 达1 3 0 0 0m 3 s ；日本拱坝也注意利用坝身泄洪，如颠山拱坝，高6 4 5 m ，坝身开6 个 1 0 5 8 2 5 t 2 6m 2 的大孔口，另设6 孔表面溢流；而美国也认为通过拱坝坝身泄 洪较经济。我国首先采用大孔口泄洪的拱坝工程是湖南省的欧阳海拱坝【8 1 随后建成 的陕西石门拱坝 9 l 和贵州红岩拱坝1 0 1 也采用了大孔口泄洪方案。欧阳海拱坝最大坝高 第一章绪论 5 8 m ，坝顶弧长2 4 3 m ，宽高比3 3 ，坝顶厚3 2 5 m ，坝底厚1 3 8 8 m ，厚高比o 2 4 。坝 身中按径向开设了5 个泄洪孔口。每孔宽1 1 5 m 、高7 m ，孔口面积8 0 5 m 2 ，孔口净 距6 6 5 m ，五孔最大泄流量6 0 9 0 m 3 s ；石门双曲拱坝最大坝高8 8 m ，顶宽5 ，o m ，最 大底宽2 7 3 m ，厚高比为0 3 l 。在河床坝体中部连续丌6 个出口宽7 0 m 、高8 o m 的 泄洪大孔口，孔口面积5 6m 2 ，最大泄量5 3 2 2m 3 s 。随着我国水电事业的不断发展， 在混凝土拱坝上开设大孔口泄洪技术已渐趋成熟，甚至于孔口面积已超过了l o o m 2 ( 表1 1 ) 。 表1 1 国内外部分拱坝孔口泄洪概况表【1 1 】 序工程名称 国别完成坝型坝高泄洪建筑物 号 年份( m )型式 孔口尺寸( m ) 最大泄量 孔数 ( m j s ) l 欧阳海中国 1 9 7 0 双曲拱坝 5 8 中孔 1 1 5 7 0 56 0 9 0 2 石门中国 1 9 7 3 双曲拱坝 8 8 中孔 7 0 8 0 65 1 0 0 底孔 2 2 11 3 0 3红岩中国1 9 7 4 双曲拱坝 6 0中空7 0 6 4 53 0 7 0 4二滩 中国 1 9 9 6 双曲拱坝 2 4 0 表孔 1 1 0 x 1 1 5 79 8 0 0 中孔6 o 5 o 66 4 5 0 5 库宽中国 1 9 5 6 拱坝 8 6 底孔9 2 6 6 46 0 0 0 6 德基中国 1 9 7 4 双曲拱坝 1 8 1 表孔1 1 o 4 5 51 4 0 0 中孔 4 3 5 8 21 6 0 0 7 萨扬舒苏联 1 9 7 6 重力拱坝 2 4 2 表孔 6 x 8 61 3 5 0 0 申斯克中孔5 5 8 8 邦达瑞美国 1 9 6 7 双曲拱坝 1 1 0 中孔 5 2 6 4 77 1 4 0 9卡里巴 赞比亚 1 9 6 1 双曲拱坝 1 2 8 中孔 9 9 69 5 0 0 津巴布韦 1 0 古尼恩法国 1 9 4 6 薄拱坝 5 4 5 中孔8 6 21 2 0 0 1 1 拉巴德法国薄拱坝7 0表孔1 0 4 2 5 41 8 0 0 中孔3 5 3 3 2 7 0 0 1 2 加勃利尔葡萄牙 1 9 5 4 双曲拱坝 1 3 4 中孔8 9 7 1 2 2 2 0 0 1 3 堪邦比葡萄牙双曲拱坝8 5浅孔9 x 8 5 79 5 0 0 1 4 殿山日本1 9 5 7薄拱坝6 4 5中孔6 5 7 63 0 0 0 1 5下荃日本1 9 8 0三心9 8表孔1 2 6 8 31 8 5 0 双曲拱底孔3 5 3 5 28 0 0 1 6小见野日本三心6 4 5 中孔 7 5 1 0 93 8 0 0 双曲拱 在对坝身泄洪孔结构分析方面，孔口对于局部应力的影响很多文献都有分析：文 献【1 2 阐述了小孔口理论，根据孔口在坝内的分布情况，切取适当的剖面进行平面应 力分析，计算分析大多限于材料的弹性阶段，可以满足重力坝的计算精度，但对于拱 6 河海大学硕上学位论文 坝这样的较薄结构则不太合适【1 3 】【1 4 。文献 1 6 】采用有限元子模型技术，分析了孔口 在自重、库水压力及温度变化下的混凝土开裂和裂缝的发展情况，以及配筋对孔口的 受力特性影响【1 7 。文献 2 0 】进行了带孔钢筋混凝土板在二维受力情况下的模型试 验研究，并采用基丁二拱坝整体线性分析的子模型法对小湾拱坝的孔口问题进行三维非 线性有限元分析，模型试验和非线性有限元分析均表明：随着孔口配置钢筋数量的增 加，孔口的承载力得到提高，但当钢筋增加到一定数量，孔口的承载力不再提高，孔 口的破坏标志由钢筋的屈服变为混凝土压碎；配筋对提高孔口的丌裂荷载没有明显的 作用，但分层布置钢筋能够对限制裂缝的进一步扩展起定的作用。 孔口对于结构整体影响方面，很多学者也做了不少具体工作，采用了很多新方法： 文献 2 l 】【2 2 】采用孔口子结构单元法对溪洛渡双曲拱坝在不同孔r _ i 布置条件下的坝身 位移及应力进行了数值分析，该法优点是可以只关心子结构单元的外部节点，而不必 细究其内部构造，程序处理到某子结构单元时，会自动生成其内部节点及内部单元， 并进行刚度及荷载集成。子结构单元的这一优点，使研究人员不再将精力集中于繁琐 的结构细部坐标定位及网格剖分【2 4 。文献 2 5 】分析了在己建成的重力坝坝体上开 孔，坝体受力的影响。 高速水流诱发水工结构振动，出现工程事故、结构破坏，国内外都屡见不鲜。其 中，包括闸门、管道、导墙、闸墩和溢流坝等。但从激振力、结构物和反应三者的相 互关系来看，高速水流诱发拱坝振动，属库水一地基一坝体和水流脉动荷载相互联系、 互相作用的问题，其机制很复杂，作为激振力的水流脉动荷载就有过坝水流脉动压力、 水舌冲击下游水垫塘通过坝基和岸坡传递过来的脉动荷载和水垫塘汹涌水流直接作 用坝体的激荡力。即使一个泄洪孔的脉动荷载也很难确切地求出，若对表孔、中孔或 中表孔联合泄洪的各种工况，更难得出真实起诱发坝体和坝基振动的整个荷载的定量 数据。 就薄拱坝泄洪振动而言，原因与泄洪方式、下泄动水荷载的大小及性质、薄拱坝 的自振特性有关。不同泄流方式泄流的动水荷载大小及性质可通过水工模型试验或原 型观测取得。薄拱坝的自振特性可以用考虑库水一坝体地基流固耦合的三维有限元 计算，或采用水弹性模型试验测取，也可以通过现场人：亡激励原型观测确定口6 1 。较多 工程实例均表明，薄拱坝的一阶基频大致在3 7 h z 或更低，因激励能量不大，不致于 引起经过良好抗震动力设计的薄拱坝的强烈振动。但如果泄流动水荷载引起闸门等振 一7 第一章绪论 动或引起过流固壁空化、空蚀等可能问接导致坝体振动。 文献【2 7 】采用实物模型和数学模型相结合，动力正分析与反分析相结合，建立高 拱坝泄洪振动全仿真模型，全面模拟坝体的泄洪振动口8 】【2 9 】。文献【3 0 阐述了结构动力 修改的模态分析、有限元综合法，它是在对原结构进行模态参数识别和灵敏度分析确 定修改方向的基础上结合有限元法对结构的物理参数给予调整，使之满足动态设计要 求。文献【3 1 采用有限元数学模型的方法分析拉西瓦拱坝一地基一库水三者耦合的动 力特性，用随机振动理论考虑紊流脉动压力时、空问相关性，对水舌冲击水垫塘紊流 诱发坝体振动进行了定量分析。文献 3 2 】分析了闸礅对于高拱坝泄洪振动的影响。 1 4 问题的提出 对于库区无适宜垭口可兴建泄洪道，而泄洪量又较大的拱坝工程，在坝身中开设 大孔口泄洪具有显著的优越性，但开孔后破坏了该部位结构的整体性，使其受力情况 复杂化。对开设大孔口的拱坝进行应力分析，是目前国内外拱坝设计中的重要课题之 一。目前在砌石坝体上开设大尺寸孔口的情况还不多见，因此有必要研究大尺寸孔口 对砌石拱坝整体受力的影响。 坝身开设孔口会造成局部应力集中，在自重、库水压力及温度变化下可能导致孔 口局部混凝土开裂和裂缝的发展。本文在研究坝身大尺寸泄洪孔时，只考虑开孔对于 坝体正常运行的整体影响，对孔口局部范围内的应力集中不加以分析。 拱梁分载法是目前用于拱坝应力分析的基本方法。这个方法把拱坝看作是一系列 的水平拱圈和铅直粱所组成，荷载由拱和梁共同承担，根据拱、梁各交点( 称为共轭 点) 处变位一致的条件，确定拱、梁系统的荷载分配。然后梁按静定结构计算应力， 拱按弹性拱的纯拱法计算应力。这在一定程度上反映了拱坝的整体作用1 3 ”。但对于在 坝体开设大尺寸孔口的情况，孔口的存在影响了坝体的整体性，因而拱梁分载法较难 合理反映孔口影响。有限单元法不仅可以比较合理地考虑拱坝的整体作用，还能够考 虑地基的非均一性、坝体内开设各种孔口、复杂的结构和施工步骤等情况，但有限单 元法在应用上也存在一定问题，其中最主要的是在坝基面产生的显著应力集中现象， 而且数值随网格减小而急剧增大。这种拱坝坝基面的应力集中并不一定符合实际。给 应力评价及确定控制应力带来了困难。 河海大学硕士学位论文 傅作新教授1 9 9 1 年提出的有限元等效应力法 3 4 】是基于有限元法的分析结果，将 有限元所求得的应力合成为截面内力，然后求出对应的线性化应力。该方法为将有限 元分析结果规范化提出了一种思路，但该法截面内力是拟合出来的，不能精确地满足 内力平衡条件。此外，该法要求沿径向网格必须布置3 层以上单元才能求得结果。针 对这种方法存在的缺点，李同春教授提出了直接由有限元得到的位移和刚度矩阵求解 截面内力的有限元内力法【3 5 ，该法在有限元计算成果基础上，可以求解不同部位、不 同截面处的截而内力，再根据截面约束内力求解等效节点应力，并在此基础上求解出 拱梁向应力为直线分布时的上、下游面等效应力。 大尺寸的孔口不仅削弱了坝体的刚度，而且在泄洪时所产生的高速脉动水流作用 下，由于过水面积相对较大，可能会对坝体产生较大的危害。对坝体在脉动水流影响 下的振动分析也是水利工程中设计和研究人员普遍关心的问题。 福建古田双口渡浆砌石拱坝泄洪采用坝项开敞式溢洪道、挑流消能型式。溢洪道 位于坝顶中央，采用向心布置，共没3 孔，每孔净宽达1 2 m ，闸门尺寸达1 2 1 2 m 2 ， 闸墩平均厚2 8 m 。和坝高8 1 5 m 相比较而言，闸门尺寸较大。为了给设计单位提供 坝体设计的参考依据，有必要分析大尺寸泄洪表孔对双口渡浆砌石拱坝坝体的影响。 1 5 本文的工作 本文针对浆砌石拱坝运行期大尺寸孔口影响问题，结合福建古田双口渡浆砌石拱 坝工程项目，用有限元方法对该拱坝进行了三维静、动有限元分析，主要研究内容如 下： 1 对坝体在静力荷载作用的应力与位移进行分析和对开孔与不开孔两种模型的 比较，得出在正常静力荷载作用下坝身大孔口对坝体的受力影响。 2 运用改进的拱坝等效应力分析方法对开孔坝体进行有限元等效应力分析，为有 限元的规范化提供依据。 3 通过对模型试验测定的水流脉动压力数据进行频谱分析，确定脉动压力高能区 的频率范围，并运用随机数据相关性分析方法，考虑水流脉动压力的时空相关性，将 离散的水流脉动压力转化为作用在坝体和闸门上的水动力荷载，为结构的随机振动分 析提供依据。 9 第一章绪论 4 通过对坝体的流一固耦合三维有限元计算，考虑水体对结构的影响，求解坝体 的自振特性，并与对水流脉动压力数据进行频谱分析的结果进行分析比较，判断坝体 是否会产生共振。 5 运用随机振动分析方法对坝体进行动力分析，求解坝体在各种泄流条件下的随 机响应。 o 河海大学硕士学位论文 第二章有限元基本原理 2 1 有限元基本原理概述 有限元是一种数值模拟方法，用矩阵形式在电子计算机上进行计算。有限元应力 分析满足静力平衡条件，而且可以考虑由于两种不同材料性质之闻的相互作用和位移 协调。因此，用有限元方法分析工程结构的受力和位移变形，已逐渐成为一种发展趋 势。 2 1 1 有限元求解思路 有限单元法的基本思路：根据总势能最小原则导出表示结点力和结点位移关系的 单元刚度矩阵，然后将单元刚度矩阵迭加起来，便形成该系统的总剐度矩阵，集成整 个结构的综合等效结点荷载列阵后，求解建立在整体刚度矩阵上的联立方程组，得到 每个结点的位移，然后便可以确定每个单元的应力和应变。 2 1 2 有限元求解步骤及其优点 运用有限元法求解问题的主要步骤为： ( 1 ) 连续体的离散化。也就是将给定的物理系统分割成等价的有限单元系统， 划分成的有限多个简单的小单元体之间仅靠节点连接。如拱坝可以用空间六面体等参 单元进行离散。 ( 2 ) 选择位移模型。假设的位移函数或模型只是近似地表示了真实位移分布。 通常假设位移函数为多项式，最简单情况为线性多项式。实际应用中，没有一种多项 式能够与实际位移完全一致。用户所要做的是选择多项式的阶次，以使其在可以承受 的计算时间内达到足够的精度。 ( 3 ) 用变分原理推导单元刚度矩阵。单元刚度矩阵是根据最小位能原理或者其 它原理，由单元材料和几何性质导出的平衡方程系数构成的。单元刚度矩阵将节点位 移和节点力联系起来，物体受到的分布力变换为节点处的等价集中力。 ( 4 ) 集合整个离散化连续体的代数方程。也就是把各个单元的刚度矩阵集合成 整个连续体的刚度矩阵，把各个单元的节点力向量集合为总的力和载荷向量。 第二章有限元基本原理 ( 5 ) 求解位移向量。即求解上述代数方程，这种方程可能简单，也可能复杂。 ( 6 ) 由节点位移计算出单元的应变和应力。 在实际工作中，上述有限元分析只是在计算机软件处理中的步骤( 有限元程序) ， 要完成工程分析，还需要更多的前处理和后处理，完整的有限元分析流程图见图2 1 。 图2 1 有限元分析流程图 综合来说，有限元法的优点是显而易见的： 整个系统离散为有限个单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程， 从而可以用多种方法对其求解。 边界条件不进入单个有限单元的方程，而是在得到整体代数方程后再引入边界 条件。这样，内部和边界上的单元都能够采用相同的场变量模型。而且，当边界条件 改变时，内部场变量模型不需要改变。 有限元法考虑了物体的多维连续性，不仅在离散过程中把物体看成是连续的， 而且不需要用分别的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点。 有限元法不需要适用于整个物体的插值函数，而只需要对每个子域或单元采用 1 2 河海大学硕= e 学位论文 各自的插值函数，这就使得其对复杂形状的物体也能适用。 适用于线性或非线性场合。 该方法能够很容易求解非均匀连续介质，而其它方法处理非均匀性则很困难。 正是由于结构复杂的物体可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸的单元，所以 有限元法能很好地适应复杂的儿何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件，计算结 果也比较精确。矾。因此，将有限元算法应用到拱坝的分析计算上也是目前工程中广泛 应用的方法之一。 2 2 有限元法的计算理论 2 2 1 静力分析有限元求解方法 静力分析有限元求解的基本方程为 k = f ( 2 1 ) 式中：k 】为整体坐标系下的总体刚度矩阵，由每个单元形成的局部坐标系下的 刚度矩阵转换后迭加而成： 缸) 为整体坐标系下的位移列阵； f ) 为整体坐标系下的荷载列阵。 由方程( 2 1 ) 解得位移分量后代入平面应力或弯曲应力计算方程可求得不同部位 在相应局部坐标系下的平面应力和弯曲应力分量。 2 2 2 空间单元法简介 本节主要介绍空间等参单元的数学分析、力学分析、位移有限元的应力计算 【3 7 】【3 8 】 3 9 】【40 1 2 2 2 1 空间单元法数学分析 1 等参单元的位移模式及形函数 4 1 伸 第二章有限元基本原理 7 3 4 5 2 2 4 5 6 3 l ( a ) ( b ) ( c ) 图2 2 单元模式 八结点六面体单元( 图2 2 a ) 8 位移模式： “= ，蚝( “，v ，w ) f _ 1 坐标变换式：x = j t ( x ，弘z ) 形函数为： m = ；( 1 + 毒手) ( 1 + 仇邛) ( 1 + f ) ( f _ 1 ，2 ，8 ) 其中，j 为结点i 的插值形函数( 下同) 。 六结点五面体单元( 图2 2 b ) 位移模式： 坐标变换式 形函数为： “= ，坼( ，w ) x = 一( t y ，z ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 河海大学硕士学位沦文 i = ；( 1 一似1 一孝训 2 = ：( 1 訇f 3 = ：( 1 一伽 。= ；( 1 + 似l f 刊 ，= 吉( - + 错 6 = 扣伽 2 等参单元雅可比( j 扯o b i ) 矩阵及其逆矩阵 ( 2 7 ) 在进行空间等参单元的力学分析时，需要用到各个形函数对于整体坐标的导数。 根据复合函数求导的规则，有： 所以有 求逆后得： 其中 盟：盟堡+ 型塑+ 盟里 延瓠8 a ya a z 0 a n 。 鸳 a a ” a a f a n 出 8 n 劫 a 瑟 a r 骘 盘 却 m a f = p 】- a n 鸳 8 n a 玎 a n a f 1 5 一 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 吣百眦一妙眦i r“un；，【 ， - l = 柳缸柳一砂吖一瑟 堕西出一却出西妙管砂一卸钞西 第二章有限元基本原理 ( 2 1 1 ) 这里的p 】称为雅可比( j a c o b i ) 矩阵。要求得这个矩阵，只需将形函数代入，于 是有： x ly t 毛 x 2y 2z 2 x nyn zq ( 2 1 2 ) 求出各个形函数对于局部坐标的导数( 其中n 为结点数，下同) ，代入上式，即 可求出矩阵p 】和】- l 。 应变矩阵陋】- a 】【】，可根据上述公式，按复合函数求导法则，利用坐标变换式 ( 2 - 3 ) ，先由形函数m 对局部坐标孝，叩，f 求导，再由局部坐标f ，玑f 对整体坐标x ，y ，z 求导，复合而成，计算中用