带缝混凝土拱坝结构安全性分析与评估

作     者：李菁 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐波

授予年度：2023年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：带缝拱坝 结构安全性 裂缝模拟 材料参数变异 分析评估 

摘      要：拱坝作为高次超静定结构,其特殊的体型及力学特性使其能承受较大荷载,但是在运行过程中因为各种因素的作用,坝体会不可避免地开裂,产生裂缝。虽然开裂部分可以通过应力重分布改变拱坝坝体内应力的分布区域,但是对拱坝整体结构安全性仍有一定影响。在此种情况下,研究带缝拱坝的结构安全评价非常有必要,以便掌握其安全形态,为决策者提供一定的帮助和参考依据。本文以某重力拱坝为研究对象,针对带缝拱坝的材料参数变异和安全评价等方面展开研究,本文的研究内容和所得结论如下:(1)通过对研究模型地基尺寸的文献进行统计,并对统计结果进行了对比确定了有限元模型地基尺寸的初始假设,将基岩看作是均质、各向同性的弹性材料,坝体选取基于D-P屈服准则的弹塑性本构模型。有限元模型地基尺寸通过数值模拟确定为厚度为3H,左、右岸宽度为2.5H,上游长度为3.5H,下游长度为4H。坝体网格采用六面体单元,坝顶沿拱厚方向分为4层网格,随着高程逐渐下降,网格层数逐渐增加,直至到坝底的12层网格;沿拱梁方向的网格尺寸与拱厚方向尺寸基本匹配,网格层数为36层。后续通过给模型施加水荷载、有限元计算与监测数据对比,验证该有限元模型建立的合理。(2)研究了混凝土裂缝模拟模型,结合工程实际及各模型优缺点确定了用粘聚力模型中的cohesive单元模拟裂缝。研究了某拱坝下游面105m高程的水平缝在贯穿坝体不同深度的情况下,对坝体应力、位移、自振的影响情况。该水平缝对105m高程以上部位的顺河向位移有影响,同时对裂缝附近的应力有影响。水平缝在不断贯穿坝体的过程中,顺河向位移和第三主应力都增大,坝体的自振频率有减小的趋势,而对坝体振型影响较小。(3)基于带缝坝体分区模型,选取了变异的材料参数并研究了裂缝单元及坝体混凝土各区材料参数变异对坝体的影响程度。通过基于麻雀寻优算法的MIV-BP神经网络模型对混凝土及裂缝材料参数变异对坝体的影响程度作了研究。对于裂缝周边,裂缝的存在会造成该部位应力、位移增大,因此裂缝部位的弹性模量、抗拉强度需要重点关注;同时坝体中下部区域的弹性模量、泊松比因其MIV值较大需重点关注。对于非裂缝周边,整个坝体的弹性模量、泊松比,裂缝部位的弹性模量、抗拉强度及除坝顶区域外的粘聚力因其MIV值较大需要重点关注。(4)基于超载法,确定了无缝拱坝和带下游105m高程水平缝的拱坝的超载安全度在5.1～5.4。裂缝的存在仅对周边部位影响较大,而对非裂缝周边影响较小;超载安全度在一定程度上反映的是整个坝体的安全稳定性。裂缝对整个坝体的影响反映在超载安全度较小。本文综合运用了拉丁超立方抽样、基于麻雀寻优的MIV-BP神经网络模型、等多种理论方法,建立了有限元计算模型,确定了裂缝模拟形式,基于带缝拱坝分区的情况下,研究了裂缝单元和坝体单元材料参数变异对坝体的影响程度,最后对该无缝拱坝以及带缝拱坝进行安全评价,以期为后续拱坝的监控提供一定的参考及技术支持。