高土石坝动力稳定分析及加固措施研究

论文摘要

高土石坝的抗震稳定分析是关系坝体安全的关键要素,以往的研究表明,土石坝遭遇强震而发生破坏时,破坏将首先从坝顶部开始,坝顶区的“鞭鞘”效应将使堆石处于不稳定状态,因此在高烈度区修建高土石坝应特别重视坝顶的稳定,采取必要的抗震加固措施。锚杆、锚索、土钉、框架格构梁近年来被广泛地应用于边坡加固工程中,由于加固构件与土体之间的接触面力学性质比较复杂,这些加固构件与土体的相互作用机理研究滞后于工程应用,因此加强设计理论研究,制定相应的规范,是一项重要的工作。结合国家电力公司科学技术项目（专题四:心墙堆石坝动力反应分析计算理论及抗震措施研究,合同编号:SP11-2002-03-50）开展了如下的研究工作:（1）FLAC3D自带较多的本构模型,但是国内岩土工程界广泛采用的南水模型并没有包含在FLAC3D中,这使得FLAC3D在国内岩土工程数值分析中,尤其是在土石坝的数值分析中的应用受到了很大局限。为了弥补这一不足,利用FLAC3D提供的二次开发平台,实现了南水模型在FLAC3D软件中的应用。（2）对糯扎渡粘土心墙坝采用开发的南水模型进行静力计算,在此基础上进行动力反应分析,计算结果表明:在地震情况下,坝顶的加速度较大,最大加速度值为7.9 m╱s2,永久位移达到1.1m,土石坝的宏观破坏性态表现为坝顶沿坝坡浅层较大变形,需要采取局部加固措施以增强坝体的抗震稳定性。（3）在现有变分法求解边坡稳定的基础上,推导了一种能适用于非均质边坡的稳定分析方法。该方法没有对条间力做任何假定,它利用变分原理求解安全系数的泛函,进而确定极限平衡方程中的未知函数——滑裂面上的正应力和滑裂面。然后通过求解极限平衡方程,得到目标函数的极值——最小安全系数。依据推导过程,编制了三维变分法计算程序。该程序可以搜索边坡破坏的临界滑裂面,而且能够得到与其对应的最小安全系数。（4）采用有限差分法,对坝体及其抗震措施进行数值模拟,通过对加筋前后坝体永久位移的计算分析,研究了筋端处理方式、加筋的间距、锚筋长度、预应力大小、筋材的剪切抗力等因素对加固效果的影响。同时进一步考虑了锚筋的剪切抗力对边坡稳定有着不可忽视的贡献,提出了一种考虑锚筋单元剪切抗力的计算方法,并通过对工程实例的计算,说明锚筋单元剪切抗力对提高边坡稳定的作用。（5）以往的测试结果表明,土工格栅的抗拉拔能力远远超过钢带和土工织物,根据土工格栅的作用原理以及坝体动力和稳定分析结果,将混凝土框架格构梁平铺于坝体中坝高的3/4以上部分,研究了混凝土框格与土体的相互作用,提出了一种简便的混凝土框格计算模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 高土石坝静动力稳定及抗震措施研究现状
• 1.2.1 土石坝静力反应分析研究现状
• 1.2.2 土石坝动力反应分析研究现状
• 1.2.3 土石坝稳定分析研究现状
• 1.2.4 土石坝抗震加固研究现状
• 1.3 本文研究的内容及方法
• 3D的基本原理'>2 FLAC^3D的基本原理
• 2.1 前言
• 2.2 基本原理
• 2.2.1 显示有限差分法
• 2.2.2 动态松弛法
• 2.2.3 基本方程
• 3D中的开发与实现'>3 南水模型在FLAC^3D中的开发与实现
• 3.1 南水模型
• 3D中的实现'>3.2 南水模型在FLAC^3D中的实现
• 3.2.1 开发环境
• 3D本构模型开发的编程概要'>3.2.2 FLAC^3D本构模型开发的编程概要
• 3.3 工程实例
• 3.3.1 工程概况
• 3.3.2 坝体计算模型
• 3.3.3 计算结果
• 3.3.4 计算结果比较
• 3.4 小结
• 4 蓄水期坝体动力稳定性研究
• 3D动力分析方法'>4.1 FLAC^3D动力分析方法
• 4.1.1 边界条件的设置
• 4.1.2 渗流边界条件和初始条件
• 4.1.3 动荷载的输入
• 4.1.4 阻尼的选取
• 4.1.5 迭代时步的确定
• 4.1.6 单元剖分尺寸
• 4.2 工程实例
• 4.2.1 计算参数
• 4.2.2 动力情况下的流固耦合分析的步骤
• 4.3 小结
• 5 基于变分原理的土石坝三维稳定分析
• 5.1 三维变分法概述
• 5.2 改进的三维变分法理论推导
• 5.2.1 平衡方程的建立
• 5.2.2 改进的变分法理论推导
• 5.3 三维变分法程序编制
• 5.3.1 滑裂面的构造
• 5.3.2 数值程序的实现
• 5.3.3 程序控制参数取值说明
• 5.4 算例分析
• 5.4.1 考核题
• 5.4.2 糯扎渡粘土心墙坝的稳定分析
• 5.5 小结
• 6 加筋技术在高土石坝抗震中的应用
• 6.1 引言
• 3D的锚杆单元模型'>6.2 FLAC^3D的锚杆单元模型
• 6.3 坝体外表面混凝土框架梁
• 6.4 加筋层的作用机理研究
• 6.4.1 计算模型的建立
• 6.4.2 计加筋对坝体水平向和竖向永久位移的影响
• 6.5 加筋效果的影响因素
• 6.5.1 筋端处理方式对对加固效果的影响
• 6.5.2 锚筋长度对加固效果的影响
• 6.5.3 锚筋间距对加固效果的影响
• 6.5.4 预应力大小对加固效果的影响
• 6.6 加筋效果与提高土体参数等效
• 6.6.1 摩擦角的影响
• 6.6.2 粘聚力C的影响
• 6.7 考虑锚筋单元的剪切抗力对加固效果的影响
• 6.7.1 剪切抗力的计算方法
• 6.7.2 算例
• 6.8 小结
• 7 混凝土框格加固高土石坝研究
• 7.1 引言
• 7.2 混凝土框格的工作原理
• 7.2.1 准粘聚力理论
• 7.2.2 被动锚固机理
• 7.3 计算模型
• 7.4 弹簧的数学表达式
• 7.5 结构单元之间的节点的链接
• 7.6 混凝土框格的加固效果
• 7.7 小结
• 8 结语
• 8.1 结论
• 8.2 需要进一步解决的问题
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 附录1 南水模型开发
• 3D中加载浸润面'>附录2 FLAC^3D中加载浸润面