基于非侵入式RFDM的沥青混凝土心墙坝静动力分析

作     者：赵玉石 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡良明;孙奔博

授予年度：2022年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：沥青混凝土心墙土石坝 空间变异性 随机场 RFDM 抗震分析 

摘      要：我国西北部水资源丰富但自然环境较为恶劣,并且处于地震带上,地质条件复杂,地震烈度较高,而沥青混凝土心墙土石坝由于其施工简单,适应变形能力强,防渗性能好,受气候影响小等特点已成为西部地区最优越的坝型之一。本文将随机场理论与有限差分分析方法结合到一起,利用Flac3D软件对西部地区某沥青混凝土心墙土石坝进行了计算分析,旨在研究考虑土体空间变异性的条件下大坝的性态特征。本文的主要研究内容和结论如下:(1)对国内外随机场理论及其在土石坝中的应用现状进行了总结,同时对心墙的水力劈裂作了初步探讨。在文献综述的基础上,介绍了随机有限差分法(RFDM),并利用自编的fish程序使其在Flac3D中得以实现。(2)建立随机有限差分数学模型,在考虑土体空间变异性的条件下,利用确定性分析和随机有限差分分析两种手段研究坝体在静力条件下的应力变形特征和心墙水力劈裂状况。结果显示沥青混凝土心墙土石坝的最大沉降,向上游最大水平位移,向下游最大水平位移和大、小主应力最大值这5个响应量的随机有限差分模拟结果呈正态分布。如果忽略土体的不确定性而采用确定性方法计算,则会有相当的概率低估这5个响应量值。此外心墙在小主应力,中主应力以及(3σ-σ)的组合应力三种判断准则下均未发生水力劈裂,同时发现静力条件下土体空间差异性对心墙的水力劈裂影响很小,一般情况下可适当忽略。(3)利用静动力统一的本构模型研究了沥青混凝土心墙坝土体的空间变异性对其动力响应及心墙水力劈裂的影响。计算结果表明:坝体的峰值加速度,最大沉降值,向上、下游最大水平位移这4个响应量发生了离散,其中除坝体最大沉降外其余响应量均服从正态分布;震后土石坝坝顶和远离心墙侧的坝坡位移离散程度最大,对沥青混凝土心墙坝进行抗震设计时需要格外关注。心墙在随机有限差分模拟中表现稳定,但是某些监测点的小主应力离散度很高,尤其对于以小主应力作为评判标准的大坝在进行水力劈裂分析时不能忽略土体材料的空间变异性。(4)建立了土石坝安全评价数值模型,基于边坡安全系数和边坡失效概率两个指标研究了土体空间变异性对大坝边坡稳定的影响,结果表明边坡失效概率对土体空间变异性最为敏感,尤其当变异系数达到0.25后空间变异性对它的影响十分显著,因此在评价大变异性土体边坡的稳定性时需要选择契合土体实际情况的变异系数,避免由于变异系数的选取误差引起评价结果的失真,其中粘聚力C的变异性对土石坝稳定性的影响比摩擦角大。在动力条件下边坡稳定性受土体空间变异性的影响更为突出,在评价坝坡稳定性时建议使用综合评价方法,避免采用单一指标。