高拱坝及其附属结构体系静动力分析与模拟

【摘要】：高拱坝及附属结构体系的静动力分析需要考虑坝体——附属结构——地基 ——库水(水荷载)的相互作用,非常复杂,迄今为止还有许多问题尚未搞清 楚。目前存在比较突出的问题有:坝踵应力问题、考虑坝库耦合作用下的坝体 与附属结构的振动问题、水垫塘底板动力响应和安全监控问题。这些问题牵扯 到复杂的耦合作用,仅靠理论分析是不够的,必须通过模型试验与理论分析的 相互验证才能得到可靠的结论。本文从整体分析的角度通过理论分析和水弹性 模型试验对这些问题进行了研究,建立了相关的计算方法、得出了一些有意义 的结论。 水弹性模型的特点是可以同时满足水力学相似和结构力学相似,能够较精 确地反映原型结构与水体相互耦合的复杂情形。本文从相似原理、试验模拟范 围的选择和模型模拟结果的修正几方面对水弹性模型进行了详细的论述,从理 论上论证了模型与原型的相似性并通过反分析方法对不相似的因素进行修正, 使水弹性模型试验成为解决水工结构静动力问题的有力工具。 由于地基与坝体相互作用的复杂性,至今坝踵应力问题没有得到完善的解 决。由于弹性理论的固有特点,使得在坝踵位置的应力为无穷大,反映到有限 元法上就是随着网格的加密而坝踵应力越来越大。本文提出的坝踵应力趋势确 定法以不同网格密度下的多组应力曲线的下包络线代替实际的应力曲线确定坝 踵应力,为了验证这种方法的正确性,建立了水荷载作用下的小湾高拱坝试验 模型和同样荷载情况下的有限元模型,试验结果与用坝踵应力趋势确定法所得 的结果相当接近,说明这种方法是可行的。另外,本文通过坝踵应力趋势确定 法计算了小湾拱坝在承受各种荷载情况下的坝踵应力,为拱坝坝踵的开裂分析 提供了有力的基础数据。 拱坝的动力分析要考虑到复杂的坝体——地基——库水的相互作用,因此 以往的研究都要对坝体进行大量的简化,取消泄水孔洞和闸墩等附属结构。但 这样做对结构的自振特性与动力响应有多大的影响却没有经过论证。本文通过 建立小湾高拱坝水弹性模型,测量了坝体承受的动力响应和部分水流荷载,并 通过反分析方法获得全部水流荷载。此外,在考虑坝体——地基——库水耦合 的前提下,建立了能够反映实际坝体形态的有限元模型,对坝体的自振特性和 WP=4 水流荷载作用下的动力响应进行了分析并得出了结论,并且分析了孔洞和附属 结构对坝体自振和响应的影响。最后对泄洪诱发拱坝振动的振源进行了分析。 随着拱坝坝身泄量的提高,拱坝下游水垫塘的动力响应和安全问题特别令 人关注,在目前对这个水流荷载和板块失稳机理的认识还不十分成熟的情况下 做好水垫塘的动力响应分析和安全监控有十分重要的意义。本文以某水电站水 垫塘为例对底板板块的动力响应和安全监测问题进行了详细的研究。其计算模 型考虑了下面三个方面的因素:底板承受上举力时钢筋的连接作用(在结构中 的粘结—滑移作用);底板和地基之间的接触作用;底板、水体之间的流固耦合 作用。计算结果说明底板之间的止水破坏前后板块的振动曲线是明显不同的, 创造性地提出了采用振动响应的各种特征值变化来作为底板安全监测指标的新 方法。