毕业设计文献综述 重力坝应力计算及稳定分析

重力坝应力计算及稳定分析重力坝应力计算及稳定分析 大学水利工程学院 09 级水利水电工程专业 摘摘 要要 目前中小型混凝土重力坝设计中普遍采用传统低效率的人工试算 不能得到最 优实用剖面 立足中小水电站 以 混凝土重力坝设计规范 为依据 以数值计算软件 为平台 以研究混凝土重力坝应力计算和抗滑稳定分析为重点 以结构优化设计理论 为基础 以优化参数为条件 以重力坝剖面面积最小优化设计为目标 将材料力学法 和有限元等效应力法相结合 刚体极限平衡法辅助整体及局部安全度 论述了基于重 力坝应力计算及稳定分析的优化设计软件开发思路和方法 为实际工程设计提供理论 指导 关键词关键词 重力坝 应力 稳定 优化设计 应力计算和稳定分析作为重力坝优化设计的主要内容 寻求解决坝体安全稳定和工 程经济的矛盾 提供设计快捷 施工方便 经济合理的途径 混凝土重力坝应力计算是 在坝体断面拟定后 为设计 施工中确定坝体纵缝形式和位置 钢筋布置 解决坝体分 区等提供依据判定坝体在运用期和施工期是否满足强度要求 并作为稳定分析的基础 1 1 应力计算应力计算 混凝土重力坝应力计算的方法有理论计算和模型实验两类 但由于模型实验周期 长 费用高 只在重要工程或复杂地质条件下才有必要进行 理论计算法分为材料力学 法 解析法 弹性理论法和弹塑性理论法 和有限元法等 解析法理论上是精确的 但 对实际工程复杂的边界条件几乎无法计算 往往也是简化边界条件而使计算也不精确 1 1 1 1 材料力学法材料力学法 材料力学法有3条基本假定 坝体混凝土为均质连续各向同性的弹性材料 视坝段 为固结于地基上的悬臂梁 不考虑坝基变形对坝体应力的影响 水平断面上的垂直应力 成直线分布 不考虑廊道等对坝体应力的影响 依据这三条假定 把坝体视为悬臂梁由 平衡条件可求出各点的分应力和主应力 由于未考虑地基刚度对坝体应力的影响 不能 计算基础内的应力 所求出的应力不能严格满足相容条件 材料力学法虽然是一种近似 的计算方法 但至今仍被认为是计算重力坝应力和设计坝剖面的基本的常用方法 规 范 中关于坝体应力控制指标的规定是以材料力学法的计算成果为主要依据 计算经 验也表明用材料力学法计算的应力在坝体上部比较准确 在坝体的下部由于受到基础 的影响而有误差 能解决从重力坝坝顶开始70 左右范围内的应力解答 在坝高2 5 以上材料力学应力解与有限元应力解基本趋于一致 对70 m 以下的坝一般只用材料力学 法即可 1 2 1 2 有限元法有限元法 随着计算机飞速发展 有限元法在工程计算领域得到了广泛的应用 规范 规定 对于高坝尤其当地质条件复杂或者不能作为平面问题处理的坝体或坝段 以及其它不 能用材料力学方法计算时应采用模型试验或采用有限元法等其它合适的方法进行计算 采用有限单元法计算应力 网格愈密应力集中程度愈高 坝踵或上游折坡点等坝体角 缘部位的应力过于集中 特别在坝踵处主拉应力值失真 奇异 同时由于混凝土重力坝 最大应力通常在坝面部位 因而规定某一个值对作为应力控制指标是不可能的 所以 多年来有限元法计算成果在坝工设计中的应用受到限制 有限元等效应力法成为发展 和应用的必然 根据等效应力的各阶距与有限元应力相应的各阶距相等的条件 提出将 重力坝建基面有限元应力转换为非线性等效应力 有限元等效应力法可以得到比较稳定 的坝踵应力值 解决坝踵应力随网格的变化而变化的问题 同时根据拱坝计算中的有 限元等效应力法以及重力坝计算的材料力学法 也可以采用将有限元法计算所得应力 合成大坝建基面内力 然后用材料力学公式反求出对应的线性化应力的方法来计算重 力坝建基面的等效应力 但因有限元等效应力法是基于线性假设 随着计算层面位置的 提高 有限元等效应力不能够准确地反映坝体的受力状态 材料力学法的计算结果反 而更加准确 有限元等效应力法计算出来的建基面上的应力数值稳定 精确 可以作为 衡量坝体建基面上强度的一种指标 2 2 抗滑稳定分析抗滑稳定分析 重力坝的应力应变状态及其坝基的稳定问题一直是设计和工程界十分关注和重视 的问题 当坝基内存在可能导致沿基岩内部滑动的不利的软弱结构面时 大坝的抗滑稳 定问题便成为了大坝安全的控制因素 由于坝基的复杂性和勘探测试手段的局限性 长 期以来对于地基问题主要依据经验估算进行设计 随着勘测技术的发展 高速度 大容 量的电子计算机的出现 使设计工作正由定性估计向定量分析迈进 2 1 2 1 刚体极限平衡法刚体极限平衡法 刚体极限平衡法将失稳块体视为一个或若干个作整体滑移的刚体 研究它达到临 界失稳状态下估算其稳定性 该方法能较好地解决单一平面的滑移面的稳定性 但滑动 面要先假定 通过试算确定危险滑动面 滑动面岩土力学参数的确定具有一定人为性 滑动面上的所有点同时进入滑动状态 与实际情况不符 不能确定坝基相应的变位 应 力分布和破坏机理 刚体极限平衡法目前是计算坝体抗滑稳定的基本方法 可利用强度 折减法计算重力坝抗滑稳定 并有相应合理的设计公式 2 2 2 2 有限单元法有限单元法 线弹性的有限元分析由于没有考虑坝体和坝基的材料非线性的性质 因而计算出 来的结果与实际情况有一定的距离 中等高度以下且地质条件又比较简单的重力坝 可用线弹性有限元作初步的分析 对于高坝工程地质条件复杂的坝基 宜用非线性分 析 2 3 2 3 模型试验法模型试验法 原则上模型试验必须反映地基内的各种实际情况和性质 因而难度大 周期长 费 用高 只有在重大工程项目上才用该方法作为计算的补充和参考 3 3 优化设计优化设计 3 1 3 1 优化设计原则优化设计原则 优化设计是基于应力计算和稳定分析 在满足强度和稳定要求下 减少工程量 便 于工程施工 重力坝的基本断面是三角形 控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度要求 它们相互矛盾和联系 重力坝基本断面应满足三个原则 坝体的抗滑稳定必须满足规 范规定的安全系数 坝体的应力必须满足规范的要求 在给定的设计参数和施工条件 下 坝体基本断面的面积最小或接近于最小 3 2 3 2 优化设计参数优化设计参数 根据调洪演算 流域规划 坝基实际等可确定的设计常量有坝高 最高蓄水位 扬 压力折减系数 坝体孔口结构 坝体与基面的摩擦系数 坝体与基面的凝聚力等 设计 变量有下游折坡点位置 上游折坡点位置 上游坡率 下游坡率 坝底宽度等 根据 规 范 要求应力约束应满足 1 采用有限单元法时 坝基上游面计扬压力时 拉应力区 宽度宜小于坝底宽度的0 07 倍 垂直拉应力分布宽度 坝底面宽度 或坝踵至帷幕中 心线的距离 坝体上游面计扬压力时拉应力区宽度宜小于计算截面宽度的0 07 倍或计 算截面上游面至排水孔中心线的距离 2 采用材料力学法 坝基面应力控制指标运用 期规定下游边缘最大垂直正应力应小于基岩容许压应力 上游边缘最小垂直正应力应 大于零 施工期下游基面的垂直应力可允许有不大于0 1 MPa 的拉应力 坝体应力控 制指标运用期上游面的最小主应力计入扬压力时要求大于零 不计扬压力时应大于0 25 0 4 的坝面计算机点的静水头 坝体内部不允许出现拉应力 坝体下游面的最大主 压应力不大于混凝土的容许压应力 施工期坝体主应力不应大于混凝土的容许压应力 但下游面可有不大于0 2 MPa 的主拉应力 稳定约束应满足抗滑和抗倾 特别是抗倾 的要求 抗滑稳定安全系数按上述方法确定 3 3 3 3 优化设计思路优化设计思路 坝基面抗滑稳定安全系数和上游坝踵拉应力这两项受上游坝坡的影响很大 而且 其影响规律相反 要反复试算多次 这两项指标很敏感地影响坝体断面和工程量 大多 数设计者在设计中小型重力坝时仍采用人工试算的办法 使坝体积比最优解高出很多 设计断面并非最优 为便于手算或编制程序很快地求得重力坝基本断面的最优解 根据 重力坝设计规范关于稳定和应力的要求 考虑坝体断面积最小和便于施工等因素 采 用优化设计方法 运用非线性数学规划求解最佳坝体断面 建立数学模型 抓住主要 影响因素将实际问题转化为数学问题 选择合理有效的优化计算方法 编制计算程序 求解 3 3 1 3 3 1 应力计算方法及程序算法应力计算方法及程序算法 将材料力学法和有限元等效应力法有机结合 对坝体应力计算采用材料力学的方 法 对坝基采用有限元等效应力法 应力是位置的函数 不同位置应力大小方向的变化 梯度不同 为提高计算精度和速度 在不同计算区域采用变步长网格法计算 在坝踵 坝趾应力较大的区域步长尽量要小 坝体中部步长相对要大 以减少计算存储容量和 机时 为避免不同计算截面应力计算的坐标原点随计算截面变化而变化 将坐标原点建 立在坝底计算截面与上游坝面的交点处 采用从坝底到坝顶 从坝上游到坝下游的计算 次序 由于坝体应力算法上采用编程计算 计算各节点的主应力和最大剪应力 并采 用样条插值实现应力等值线的简化计算 同时也给出应力迹线的分布 3 3 2 3 3 2 抗滑稳定分析方法及抗滑稳定安全判据抗滑稳定分析方法及抗滑稳定安全判据 综合考虑各种地基 地质因素 采用刚体极限平衡法 并结合分项系数法的现有理 论作为辅助验证进行抗滑稳定分析 重点研究深层双滑面及多滑面抗滑稳定计算方法 的安全系数取值标准问题 4 4 结结 语语 将材料力学法和有限元等效应力法相结合 对坝体应力计算采用材料力学法 对 坝基采用有限元等效应力法 从而使应力数值解趋于稳定 计算结果精确 抗滑稳定性 分析更为全面 使计算过程简单化和计算结果精确化 稳定分析主要是抗滑稳定 并以 刚体极限平衡法为主 辅以有限元分析或模型试验 验算的安全系数以整体安全度为 主 辅以局部安全度的检查 针对中小型混凝土重力坝 将坝体应力计算和稳定分析有 机结合 采用优化设计方法 运用非线性数学规划 通过计算机编程 对传统坝体优 化设计中只计算边缘应力进行改进 实现应力计算全面化 可视化 不仅利于坝体的强 度校核和稳定分析 还对坝体的分区 分缝等设计提供依据 综合考虑各种地基 地质 因素 实现坝体优化设计的可视化 参考文献参考文献 1 周建平 纽新强 贾金生 重力坝设计20 年 M 北京 中国水利出版社 2008 14 15 2 潘家铮 重力坝设计 M 北京 水利电力出版社 1987 128 158 3 解修琼 王倪进 基于ANSYS 的混凝土重力坝应力研究 J 黑龙江水专学报 2006 33 4 38 40 4 王春涛 练继建 重力坝坝踵应力集中问题的有限元法研究 J 水利水电技术 2003 34 5 11 13 5 杨清平 李俊杰 重力坝坝踵主拉应力区分布规律的探讨