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《中国水利水电科学研究院》 2001年
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高混凝土坝—可压缩库水—淤砂—地基系统地震反应分析研究

王进廷  
【摘要】: 地震时,库区的地面运动将会使坝体上游坝面承受附加的动水压力。正确认识坝面动水压力对坝体地震反应的影响,对于新建大坝抗震设计和已建大坝抗震安全性评估都具有重要的意义。坝面动水压力及其影响分析是一个非常复杂的问题,需要建立一套完整的坝体—可压缩库水—库底淤积泥砂层—地基系统地震反应分析模型,涉及到单相固体介质、流体介质、液固两相介质等不同类型介质的动力反应分析以及它们间的动力相互作用分析,既要考虑坝体附近的复杂介质和复杂几何形状情况,又要考虑在半无限地基中能量向无穷远处的辐射作用。对这样一个大型复杂问题进行波动分析首先必须要有一种高效的数值分析方法。有限元结合边界元方法被认为是一种较理想的高精度的计算方法,但由于边界元方法一般为频域方法,在边界上是时空耦合的,很难处理一些非线性问题,对近域的复杂介质情况适应性也差。显式有限元方法与局部人工边界相结合的方法虽然可能要损失一些计算精度,但因其是时空解耦的,对于自由度数目巨大的问题具有明显优势,更重要的是可以非常方便地处理近域介质中的非均匀、非线性情况。文中针对上述问题,从以下三个方面进行了全面深入研究,并取得了数值分析方法方面的进展和获得了一些有工程参考价值的结果。 1.时域显式有限元波动数值分析研究 本文中提出了两种一般阻尼单相固体介质动力分析的显式有限元方法,并与已有的几种方法进行了比较。其中,一种方法稳定性好,有较强的通用性;另一种方法计算公式简单,适合于分析小阻尼动力体系问题。按照同样的思路,进一步建立了可压缩流体介质、液固两相饱和介质动力分析的显式有限元方法以及考虑它们间动力相互作用的显式有限元方法。在此基础上,结合透射人工边界建立了结构—可压缩库水—淤砂—地基系统地震波动反应分析的时域显式有限元方法,并编制了相应的计算程序。该计算方法中,严格考虑了结构、可压缩库水、淤砂和地基间的动力相互作用,其中淤砂层可以模拟为液固两相介质、单相固体介质或重流体介质。这一方法因其具有不需要求解联立方程组的优势,使得计算工作量大大减小,更为重要的是可以非常方便地进行非均匀、非线性问题分析,如考虑结构中的分缝、地基中的不均匀构造等。 2.重力坝地震反应分析 提出了重力坝—可压缩库水—淤砂—地基系统地震反应分析的时域显式有限元波动分析方法。分刚性坝和刚性地基、柔性坝和刚性地基、柔性坝和柔性地基三种情况,应用本文所建立的方法,分析了可压缩库水条件下,库底淤积泥砂层对作用坝面动压力的影响以及对坝体地震反应的影响。为了验证方法的正确性,本文还进行了室内振 中国水利水电科学研究院工学博士学位论文 动台模型试验研究。上述研究结果表明: (1)可压缩库水对坝体反应有明显的影响,尤其是在垂直地震动作用时,库水 自振频率处对应的作用于坝体的动水压力反应十分显著。因此,对于库水基频与地震 动卓越频率相接近的高坝情况,忽视库水可压缩性和竖向地震动引起的作用于坝体的 动水压力影响将是不合理的。 (2)随着地基弹性模量的减小,坝体自振频率及其对应的峰值幅值逐渐减小, 表明地基对坝体反应既有惯性作用又有阻尼效应。库水基频对应的峰值幅值也随着地 基弹性模量的减小而逐渐减小,但库水基频基本不变,表明地基对库水反应主要起阻 尼作用,将地基对库水的影响考虑为阻尼吸能边界应是合理的,但因吸能边界的吸能 系数或反射系数难以准确获得,这使计算结果的正确性受到怀疑。因此,在考虑库水 可压缩性时应采用半无限地基的分析模型模拟地基对库水的作用。 (3)淤砂层对坝体自振频率影响很小,但对库水自振频率和峰值有着明显影响。 随着饱和淤砂层厚度的增加,库水自振频率逐渐增大;而随着非饱和淤砂层厚度的增 加,库水自振频率逐渐减小。这表明淤砂层对库水反应的影响既有惯性放大作用又有 阻尼吸能效应。淤砂层的放大作用,在室内振动台试验中也得到了证实。 (4)采用本文中的近似方法,将淤砂层通过简化处理近似模拟为单相固体介质, 与将淤砂层模拟为两相介质的计算结果基本吻合。文中还将淤砂层模拟为单相重流体 介质,重流体因不能承受剪力而改变了淤砂层的固有特性,与两相介质模型计算结果 有一些差异。重流体模型计算结果有时会大于两相介质模型计算结果,这就是说,淤 砂层液化以后,坝体反应可能被放大。 3.拱坝地展反应分析 提出了拱坝一可压缩库水一地基系统地震反应分析的时域显式有限元波动分析方 法。以小湾拱坝为例,分析了可压缩库水对拱坝地震反应的影响,并与不考虑库水可 压缩性的附加质量模型的分析方法进行了比较。结果表明:可压缩库水将十分明显地 降低对拱坝抗震安全性起控制作用的部位的应力反应。具体讲是使中、上部位拱冠梁 的梁向拉应力降低可达45%左右,拱冠顶拱向拉应力降低达20%以上,这对于评估拱 坝抗震安全性是有利的,也说明附加质量模型是不合理的,过于夸大了拱坝抗震关键 部位的应力反应。 此外,在本文的研究中非常注?
【学位授予单位】:中国水利水电科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TV642

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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2 乔娟;罗先启;;水对边坡失稳的作用机理探讨[J];灾害与防治工程;2005年02期
3 G.Feltrin ,M.Galli ,H.Bachmann ,杜成斌;裂缝对有库水的混凝土重力坝地震响应的影响[J];水利水电科技进展;1994年03期
4 何永林;直线回归推导入库水量[J];四川水利;1998年05期
5 ;云南怒江六库水电站预可研通过省计委审查[J];云南水力发电;2002年04期
6 刘麟,张建海,邹德兵;六库水电站RCC纵向围堰堰基应力应变及稳定性分析[J];东北水利水电;2004年10期
7 梁彬;五里冲水库枢纽区防渗帷幕渗漏问题研究中水文地球化学的应用[J];中国岩溶;1997年03期
8 陈厚群,侯顺载,杨大伟;地震条件下拱坝库水相互作用的试验研究[J];水利学报;1989年07期
9 G.Feltrin ,M.Galli ,H.Bachmann ,杜成斌;裂缝对有库水混凝土重力坝地震响应的影响[J];世界地震工程;1994年02期
10 艾剑峰;陈刚;;库水压力对高速公路边坡稳定性影响分析[J];公路交通科技(应用技术版);2008年S2期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 安催花;刘继祥;李世滢;张厚军;;黄河小浪底水库2000年~2002年调度运用分析[A];中国水力发电工程学会水文泥沙专业委员会第四届学术讨论会论文集[C];2003年
2 朱洪潇;戴前伟;冯德山;;“流场法”在铜街子水电站坝基渗漏检测中的应用[A];当代矿山地质地球物理新进展[C];2004年
3 龚亚琦;陈琴;崔建华;;坝体—地基—库水体系的动力有限元分析及其工程应用[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
4 刘勇利;杨瑞强;张福全;谢雅兰;丁文军;董文博;;GC-MS测定饮用水中的挥发性和半挥发性有机物[A];2005年全国有机质谱学术交流会论文集[C];2005年
5 胡兴林;;黄河内蒙段淤积严重的原因及调度龙、刘两库水量制造洪水重塑河道的可能性分析[A];中国地理学会2006年学术年会论文摘要集[C];2006年
6 曹华;;小东江水电站渗流浅析[A];中国水力发电工程学会大坝安全监测专业委员会年会暨学术交流会论文集[C];2000年
7 谢开仲;李海;兰兴荣;;混凝土拱坝坝体—地基—库水相互作用的地震反应分析[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展[C];2009年
8 龚亚琦;苏海东;崔建华;;坝体-库水的流固耦合分析[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
9 马晓辉;彭汉兴;;大坝坝址环境水特征与工程处理对策[A];2004水利水电地基与基础工程技术——中国水利学会地基与基础工程专业委员会2004年学术会议论文集[C];2004年
10 刘麟;张建海;邹德兵;晋国辉;;怒江六库水电站RCC纵向围堰防渗墙应力分析[A];第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 周雨 实习生 何国行;水库“病愈”两年多 仍旧只蓄“半库水”[N];重庆日报;2010年
2 见习记者/佘慧萍 陈默 通讯员/朱先峰 杨忠民 陈晖鹏;市民不敢饮水库水[N];南方日报;2004年
3 ;库水清清纯又甜[N];中国交通报;2004年
4 记者 林光华 通讯员 林东胜;福建用心做好旱年水文章[N];中国电力报;2004年
5 刘钧石;一库水救活“旱死角”[N];中国水利报;2009年
6 敏言;丰潭南山两水库令人担忧[N];中国水利报;2004年
7 本报通讯员 李广彦;执法要敢于碰硬[N];中国水利报;2010年
8 贺明辉;清泉潺潺润民心[N];楚雄日报(汉);2010年
9 记者 梁坚义;阳新农民筹资保护清代“节孝坊”[N];黄石日报;2010年
10 记者 卞思杰 通讯员 赵传录 赵军;端掉百姓头顶的“大水盆”[N];济南日报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 王进廷;高混凝土坝—可压缩库水—淤砂—地基系统地震反应分析研究[D];中国水利水电科学研究院;2001年
2 王铭明;高重力坝抗震措施及坝体—库水—地基系统动力相互作用研究[D];大连理工大学;2012年
3 王忠;坝库相互作用及抗震技术研究[D];四川大学;2001年
4 董海洲;堤坝渗漏热源法及示踪理论研究[D];河海大学;2004年
5 王翔;高阶双渐近透射边界及其在大坝—库水相互作用中的应用[D];清华大学;2010年
6 刘素梅;丹江口水库续建工程诱发地震研究[D];武汉理工大学;2005年
7 高毅超;高阶双渐近透射边界研究及应用[D];清华大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 袁琼;高拱坝近坝库水温度分布研究[D];武汉大学;2004年
2 杜成伟;大坝—库水—地基系统动力耦合作用数值研究[D];西安理工大学;2010年
3 钱华;河流水库水环境承载力研究—以黄河万家寨水库为例[D];华北电力大学(河北);2004年
4 刘长吉;库坝区渗漏非模式识别模型研究[D];河海大学;2007年
5 秦洪斌;三峡库区库水与降雨诱发滑坡机理及复活判据研究[D];三峡大学;2011年
6 党国强;拱坝—库水—地基系统地震反应分析研究[D];西安理工大学;2008年
7 赵玉明;北大港水库水质管理运行问题的研究[D];天津大学;2004年
8 杨金;巴东县城黄土坡滑坡库水与降雨联合作用复活机理[D];中国地质大学;2012年
9 王欣娟;考虑建基面开裂的重力坝地震响应研究[D];天津大学;2007年
10 陈翰林;龙滩水库诱发地震的特征和机理研究[D];中国地震局地震预测研究所;2009年
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