高拱坝及反拱水垫塘结构泄洪安全分析与模拟

【摘要】： 我国虽然在高拱坝的建造、设计与研究上取得了丰硕的成果,但是高拱坝的设计还远未达到“自由王国”的境界,仍有一些重大问题需要解决:高拱坝的合理设计原则、标准和要求;高拱坝的精确动力分析和抗震措施;高拱坝的泄洪、消能、防冲问题;高拱坝的模型试验问题等。本文针对高拱坝的模型试验问题、拱坝流激振动响应及水垫塘防护结构稳定性这些问题,通过水弹性模型试验、理论分析及有限元分析对这些问题进行了研究,建立了相关的计算方法,得出一些有意义的结论。 水弹性模型可以同时满足水力学相似和结构力学相似,是对“结构-水体-地基-动荷载”四位一体的流固振动系统的模拟。本文详细论述了水弹性模型的相似原理及模拟范围、材料特性对拱坝动力特性的影响,给出水弹性模型的一般模拟范围。采用1:100大比尺水弹性模型对拉西瓦高拱坝及反拱型水垫塘流激振动响应进行了测试分析。 在实际工程的原型或模型动力试验中,实测动力响应测点总是有限的,特别是原型观测中的测点有时更少,难以全面反映水工结构的振动响应特征。本文在流激振动正反分析方法的基础上,将引起拱坝结构振动的三个激振源视为三个独立的、不相关的等效荷载,采用遗传算法得到等效荷载,进而利用正分析方法得到整个结构的动力响应以及进行振源分析。此外又针对具有多个测点同步测试结果的情况,给出一种基于模态叠加法的反分析方法,其实质是建立在模态的正交性及展开定理基础上的一种求解动力响应的近似方法。应用上述两种方法,对拉西瓦拱坝水弹性模型试验结果进行了反分析。 高坝水垫塘在泄洪期间起到消除下泄水流能量的作用,其自身的稳定是实现消能和防冲的关键。在水动力荷载的作用下,其受力和运动过程十分复杂。对它的数值模拟需要考虑以下三个方面:锚固钢筋与底板、地基之间的粘结滑移;底板之间、底板与基岩之间、底板与拱座之间的接触以及底板与水体之间的相互作用问题。本文基于粘结滑移理论、非线性接触理论及流固耦合理论,提出一种反拱水垫塘有限元模型,该模型采用三维非线性弹簧单元模拟锚固钢筋与基岩的位移协调、接触元模拟衬砌块接缝以及底板、拱座、基岩和边坡间的碰撞、滑移行为,采用附加质量考虑水体与底板之间的相互作用,较为全面反映水垫塘受力特点和底板-拱座-锚杆-基岩之间的相互作用机制。长潭岗水垫塘的工程实例说明了本模型的合理性及实用性。作为工程应用,本文以拉西瓦高拱坝的反拱型水垫塘为实例,对其在检修工况、正常工况以及泄洪工况下的结构稳定性进行了计算分析。然后,在建立有限元数学模型和反拱形水垫塘底板失稳模式基础上,分析了拉西瓦拱坝反拱水垫塘结构型式对稳定性的影响。