高拱坝破损溃决全过程模拟及安全评价方法研究

【摘要】：本文在张冲的三维模态变形体离散元方法(3-D Mode Distinct Element Method,3MDEM)工作的基础上,将块体的本构关系从线弹性扩展到弹塑性,并用于模拟拱坝的破损溃决过程,研究拱坝的破坏机理。由于3MDEM在大规模计算上的局限性,基于3MDEM对拱坝破坏机理的研究,利用非线性有限元提出高拱坝的安全评价方法,并基于工程类比法对小湾拱坝进行全面的安全评价。主要研究内容包括: 1.阐述了3MDEM的基本原理和计算流程,在张冲工作的基础上,将块体的本构关系从线弹性扩展到弹塑性,包括Mises和Drucker-Prager模型,并提出了一种基于塑性应变的接触断裂准则,基于3MDEM平台,初步实现了对结构弹性-弹塑性-断裂-破坏的全过程模拟。通过若干数值算例验证弹塑性本构的正确性,表明该方法可用于模拟拱坝的破损溃决的全过程。 2.考虑坝体材料的弹塑性性质,采用3MDEM对梅花拱坝进行了分析,通过裂缝的扩展过程研究了拱坝的破坏机理,并重现梅花的溃决过程。结果表明,周边缝的破坏导致坝体上抬,拱坝的破坏从梁开始,梁受到削弱后,荷载向拱转移,最终拱的破坏导致全坝的溃决。随后为研究一般拱坝的破坏机理,假定梅花拱坝的周边缝完好,进行超载分析,定性得到拱坝的破坏规律,经历三个阶段:梁破坏阶段、拱破坏阶段以及拱坝整体失稳阶段。 3.在3MDEM对拱坝的破坏机理研究的基础上,基于非线性有限元和工程类比,针对坝踵开裂和极限承载力,提出一组安全系数:帷幕安全系数k1,荷载分配突变安全系数k2以及极限安全系数k3。选取类比工程K?lnbrein和二滩拱坝,基于工程类比对小湾进行了安全评价。 4.将小湾数值计算的结果与周维垣教授地质力学模型试验的结果进行对比分析,随后对小湾工程的加固措施进行研究,并分析了施工期坝体产生的温度裂缝对拱坝整体安全的影响,最后在混凝土材料中引入软化性质,用于小湾拱坝的安全评价,使得小湾的安全评价更为完整。