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基于非线性有限元法的锦屏一级高拱坝整体稳定分析的开题报告一、选题背景及研究意义高拱坝作为一种高效节能的水利水电工程结构，已经广泛应用于国内外的水利水电工程中。
然而，由于拱坝结构本身具有非线性、非均匀性和复杂性等特点，对其进行合理的力学分析和结构设计是一项十分复杂的任务。
其中，整体稳定性是高拱坝结构工作安全的关键问题之一，因为它与拱坝的压力分配、变形分布、翻滚等问题密切相关。
因此，研究高拱坝的整体稳定性问题具有重要的理论与应用意义。
非线性有限元法是目前国际上研究高拱坝稳定性问题的一种主流方法，它通过对高拱坝结构的离散化和力学计算，可以预测高拱坝结构的受力、变形和稳定性等性能，为高拱坝结构的设计和施工提供重要的理论依据。
然而，在实际应用中，不同的非线性有限元模型会对高拱坝结构稳定性分析产生不同的影响，因此，对不同非线性有限元模型的优缺点进行比较和分析，是进一步完善高拱坝结构分析理论和提高其工程应用水平的必要步骤。
二、研究内容及解决问题的思路本文的研究内容主要是基于非线性有限元法对锦屏一级高拱坝的整体稳定性进行数值模拟分析，比较不同非线性有限元模型对高拱坝结构稳定性计算结果的影响，并结合实际工程中的案例，探讨高拱坝的结构稳定性分析方法和应用。
具体来说，本文的研究思路分为以下几个步骤：（1）对锦屏一级高拱坝的结构特点、工程参数进行系统性分析和描述，确定高拱坝的非线性有限元模型；（2）基于ANSYS等软件平台，建立高拱坝的三维有限元模型，并采用几何非线性、材料非线性和接触非线性等效应，对高拱坝的整体稳定性进行数值模拟计算；（3）比较不同非线性有限元模型对高拱坝结构稳定性计算结果的影响，分析其优缺点和适用范围；（4）结合实际工程中的案例，探讨高拱坝的结构稳定性分析方法和应用，并提出完善高拱坝结构设计和施工的建议和措施。
三、拟用方法和技术路线本文的研究采用基于非线性有限元法的数值模拟方法，结合ANSYS等软件平台，对锦屏一级高拱坝的整体稳定性进行数值模拟计算。
东庄反拱水垫塘防护结构优化与安全性分析针对“高水头、窄河谷、大泄量”的泄洪消能特点,反拱形衬砌式水垫塘利用天然河床基岩形状,将引起水垫塘破坏的水力荷载(主要是上举力与扬压力)传递到两岸山体或拱座,充分发挥出拱结构的超载能力和材料的抗压特性,提高了防护结构的安全性。
实践表明,反拱形水垫塘是解决高拱坝泄洪消能问题的有效措施。
近年来,国内外许多学者基于理论分析与模型试验,对反拱水垫塘内水动力荷载、衬砌结构的稳定性开展了大量的研究,但是关于反拱水垫塘防护结构优化与安全性研究却涉及不多。
本文以泾河东庄水利枢纽坝后水垫塘为研究背景,从工程实际出发,对初拟反拱水垫塘防护结构方案进行多因素的静力非线性优化分析,并将力学模型与数值模型相结合,对反拱水垫塘防护结构进行安全性与稳定性研究,主要成果如下:(1)对反拱防护结构数值分析中的模拟方法进行改进,主要包括材料非线性损伤本构、计入抗剪效应的锚杆单元选取和考虑分缝的流固耦合处理手段等,以使数值模拟研究更为接近实际。
(2)在设计扬压力条件下,以稳定性与整体性为主要权衡指标,对反拱水垫塘底板防护结构进行优化研究,确定了反拱半径32m、板块厚度3m、非均匀柔性锚固(边缘板块自由段2.5m,中间板块自由段3m)的方案,达到锚固钢筋与拱座联合承载的目的,承载力较刚性均匀锚固提高30%;粘结滑移效应对常规2m~5m自由段锚固方式的稳定性影响小到可以不计,同样对边坡防护结构进行了优化研究。
(3)以有初始间隙的接触单元来模拟拱端裂缝,对反拱底板成拱条件和键槽的成拱作用进行深入研究;计入预应力锚固和不同渗压水平等因素,基于刚体极限平衡法进行拱座抗滑稳定分析,本工程反拱底板承受240kPa扬压力稳定安全有保证;以不耦合的开裂损伤评价方法,研究了不同区域锚固失效时反拱底板的破坏模式。
(4)本着“静力设计、动力调整”的原则,对模型实测动水荷载进行处理,结合最大上举力预测公式,得到反拱水垫塘底板和边坡衬砌块的上举力时程,研究优化调整后的反拱水垫塘防护结构在泄流工况下位移、应力等动力响应,并作出安全评价。
特高拱坝水垫塘反拱型底板开挖施工技术白鹤滩水电站水垫塘全长约360.00m，采用圆弧反拱底板接复式梯形断面。
水垫塘反拱底板圆弧半径111.02m，圆弧底板弧底开挖高程556.00m，拱端开挖高程559.00m，反拱底板预留保护层，保护层厚度为2～5m。
水垫塘基础为柱状节理玄武岩、角砾熔岩及隐晶质玄武岩，根据水垫塘施工条件及开挖体型特点，水垫塘高程603.00～559.00m之间边坡采用自上而下分层梯段预裂爆破开挖，高程559.00m以下水垫塘反拱底板基础采用水平预裂爆破和复合消能爆破相结合的方式开挖，既保证了建基面开挖质量，也极大的缩短了反拱底板开挖的施工工期，为实现了水垫塘混凝土如期开浇提供了保障。
标签：圆弧反拱底板；预留保护层；柱状节理玄武岩；水平预裂爆破；复合消能爆破1工程概况1.1枢纽介绍白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站。
电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪，并有拦沙、发展库区航运和改善下游通航条件等综合效益，是西电东送骨干电源点之一。
水库总库容206.27亿m3，正常蓄水位825.00m，电站装机容量16000MW，多年平均发电量625.21亿kW？h。
本工程为Ⅰ等大（1）型工程，枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。
拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834.00m，最大坝高289.00m，坝下设水垫塘和二道坝。
地下厂房对称布置在左、右两岸，厂房内各安装8台单机容量为1000MW水轮发电机组。
电站建成后，将仅次于三峡水电站成为世界第二大水电站。
1.2 水垫塘体型及地质条件白鹤滩水电站大坝下游水垫塘采用圆弧反拱底板接复式梯形断面。
水垫塘反拱底板圆弧半径111.02m，圆心角26.73°，弦长51.27m，圆弧底板弧底开挖高程556.00m，拱端开挖高程559.00m，矢高3m，反拱底板预留保护层，保护层顶面高程561.00m，保护层厚度为2～5m。
高拱坝水垫塘反拱底板衬砌结构的非线性静力分析摘要：本文利用Ansys程序对高拱坝水垫塘衬砌结构进行了全过程计算。
在止水结构未破坏以前，衬砌块结构可以看作是作用在弹性地基上的板，利用点线接触单元模拟水垫塘衬砌块结构之间的接缝以及衬砌与基岩的接触，并对衬砌块与拱端支座的连接形式进行了研究；在止水结构破坏后，衬砌块结构下部受到方向向上的脉动压力和时均压力，拱的作用表现出来，并且衬砌块与基岩之间的锚固钢筋开始作用，这时的结构可看作是一种“反吊拱”。
本文利用弹簧单元模拟衬砌块与基岩之间的钢筋进行计算，得到一些用于指导水垫塘设计的结果。
关键词：水垫塘衬砌接触元弹簧元弹性地基梁(板）峡谷地段修建的高拱坝，其泄洪消能布置往往要设置水垫塘，水垫塘衬砌的底板有平底板和反拱底板两种，平底板的稳定问题，现在已研究得比较清楚，反拱底板在近几年得到广泛应用，主要是因为底板拱结构抵抗破坏的能力强，稳定性要优于平底板。
但是由于反拱底板面积比较大，在施工过程中要设置温度缝和施工缝，因此反拱底板被分成一系列相互独立又相互联系的板块，其受力过程表现为一种高度的非线性，特别是在止水破坏后，各板块相互撞击、滑动表现为典型的接触行为，计算相当复杂。
崔广涛等从理论分析和模型实验两方面论证了反拱型底板的受力条件好，其稳定性优于平底板；刘沛清等也对反拱型底板的稳定性进行了研究，并提出了相应的稳定计算模式。
但是他们只是把衬砌块作为刚体，把块间连接看作“铰”（其实是一种机构），或者把整个水垫塘结构看作一个三铰拱或无铰拱，和实际的块间结构有很大的区别，本文利用接触单元来模拟相邻板块间的接触，接触单元可以模拟块间的接触、咬合、摩擦、分离、撞击等不同状况，特别是在止水结构破坏后，衬砌块结构下部受到方向向上的脉动压力和时均压力，拱的作用表现出来，并且衬砌块与基岩之间的锚固钢筋开始作用，这时的反拱底板整体可以看作是一个“反吊拱”。
利用弹簧单元来模拟锚固到基岩中的钢筋，进行有限元计算，得到比较理想的结果。
1有限元单元形式的选择以及非线性接触理论接触是一种高度的非线性行为，由于考虑摩擦使问题变得困难起来。
接触单元是覆盖在模型接触面上的一层单元，有限元模型通过指定接触单元来识别可能的接触匹对，本文所使用的接触单元为三节点单元，如图1所示。
这种单元形式不受接触形状的限制，使用范围广，这种单元实际上是一种点对线接触，k点为接触点，ij为目标线。
不过可以用它来模拟线对线的接触，因为可以把线指定为一组节点。
对于水垫塘衬砌块，由于其相邻块之间地位相同，可以用对称接触来模拟，即先选择a线作为目标线，b线上的点作为接触点，形成接触对，然后再反过来利用b线作为目标线，a线上的点作为接触点，形成另一组接触对。
m 1接触中元示意_ 2平元坐标单元坐标如图2所示，单元法向量和单元切向量分别为：{n} = {v}X{s}(1){s} = ({xj}-{xi})/l(2) 式中：{v} :ij与整体坐标x-y平面的方向角；{xi}、{xj} ：i、j点的位置向量; 1:目标单元的长度。
接触点与目标面的距离为：g=({xk}-{xi})T{n}(3)s*=-l+2[({xk}-{xi})T{s}]/I(4)式中：{xk} :k点的位置向量。
当两板块接触时k点沿n方向运动，受到目标面法向应力的限制，沿s方向的运动受到目标面摩擦力的限制，本文中的摩擦类型选为库仑摩擦类型，程序中提供了一个不管接触压力的值，而人为提供等效剪应力的选项，如果剪应力达到之，滑动发生。
在求摩擦力之前，需要求出接触点相对于目标面的切向位移us=l/2(s*_s0*)1(5)式中：sO*上步求解过程中的接触位置。
其实这个位移是由粘性位移和滑动位移两部分组成，即为粘性位移，为滑动位移。
摩擦力为：在粘性阶段：fs=kt〈Ffs 在滑动阶段：fs=fs式中：kt:粘结刚度，fs库仑摩擦类型的静态摩擦限值(f' s=-|J fn), M为摩擦系数，F为静态到动态转化摩擦因子。
向力可以通过罚函数法或罚函数和拉格朗日联合法来实现，这时力将加到节点上，直接触点穿透进入目标面。
如图3所示。
罚函数法：(7)⑶式中：kn为法向接触刚度。
罚函数和拉格朗日联合法：fn=min(0，kng+A i+1)⑶式中：入i+1为节点在i+1处的拉格朗日增值因子，当l g l<s时，入i+l=入ii+a kng；当丨g I >£时，A i+l=A i。
s为容限因子，a为材料因子(a <0)。
为方便求单元的刚度矩阵和荷载向量，引入两个向量(10)(11)由图3在法向上列平衡方程是：fn,k=fn, i+fn, j=fn同理，由切向得：fs, k=fs, i+fs, j=fs写成向量的形式为：(14) 单元的刚度矩阵为：在粘性阶段：[Ke]=Kn{Nn}{Nn}T+Ks{Ns}{Ns}T(15)在滑动阶段：[Ke]=Kn{Nn}{Nn}T(16)在未接触阶段：[Ke]=0(17) 式中：Ks为切向接触刚度。
弹簧单元能在轴向上承受拉压力和扭矩，本文所用的是二维弹簧元，每个单元由两个节点构成，每个节点有两个自由度。
2计算实例本文结合溪洛渡水垫塘进行计算，工程概况为：水库的正常蓄水位600. 00m,相应库容为115. 7亿m3，最大坝高278m，装机容量初步拟定12600MW。
拦河大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高278m;泄水建筑物有坝身7个表孔(12.5X 11m)和八个深孔(6X6. 7m)，具有“高水头、大泄量、窄河谷”的特点，最大泄洪功率高达100 000MW, 60%的洪水通过坝身渲泄，坝身泄量达30000m3/s，坝身的表孔和深孔的最大单宽流量超过200m3/s。
水垫塘衬砌每块园心角8. 64，半径81. 25m，分为9块，厚度为4m。
在止水结构未破坏以前，衬砌块承受向下的水荷载作用，其实可看作是作用在弹性地基上的梁(或板)，利用接触单元模拟板块之间的连接，用四边形单元模拟板块，得到有限元模型如图4，当止水结构破坏后，水垫塘底板受到向上的脉动压力和时均压力，拱的作用表现出来，并且衬砌块与基岩之间的锚固钢筋开始作用，利用四边形单元模拟板块，接触单元模拟板块之间的连接，弹簧单元模拟锚固锚筋，得到有限元模型如图5。
计算结果如表1、2、3、4和图6所示。
阁3接触中.元受力分析m4止水破坏前有限元阁5止水破坏后有限元阁6止水破坏后反吊拱在40米水压力下的变位表1拱端设缝情况下的拱端位移(止水破坏前）表2拱端未设缝情况下的拱端推力(止水破坏前）工况位移/mm温升(-5〜40) 0. 86温降(40〜-5) -0. 86静水压-0. 85静水压+10m冲击水压-0. 96工况推力/ (T/m)温升(-5〜40) -70. 2180 温降(40〜-5) 70.2176静水压71. 3792静水压+10m冲击水压85. 164640m脉动压力-284. 7316表3止水破坏前拱端设缝与未设缝情况下的主应力大小位置比较设缝未设缝计算工况第一主应力第三主应力第一主应力第三主应力大小/ (MPa)大小/ (MPa)位置大小/ (MPa)位置大小/ (MPa)位置温升(-5〜40) 0. 012-0. 43450. 3001-0. 2705 温降(40〜-5) 0. 012-0. 43450. 3001-0. 2705 静水压 0. 016-0. 43550. 3491-0. 2805 静水压+10m 冲击水压 0. 031-0. 43850. 5511-0. 3795注：表中位置数是指距拱端第几块表4反吊拱衬砌块需要提供的锚固力块数12345锚固力/(T/m)301. 54343. 53336. 74322. 22319. 98 锚筋剪力/ (N/m) 773424. 13117. 4932. 770 板块位移/mml. 8785. 0854. 8254. 6924. 644 平底板锚固力/T407. 92407. 93407. 93407. 93407. 93注：表中块数是指距拱端所说，锚筋(p28@10003结论与讨论通过本文的计算可以得到如下结论：（1)由表3知，对于底板混凝土强度是没有问题的。
（2)由表2知，在温升和止水结构破坏后，拱端承受的推力是相当大的，这和试验数据项一致[2]。
因此应该在拱端块和拱端支座之间设缝，这将使拱端力减小，但是缝宽不能太大，太大反拱起作用太慢，并且由表1得，缝宽在lcm即可。
（3)由图6可知，对于止水完全破坏的反吊拱，最大位移出现在距坝端的第二块。
这已由模型实验所验证[2]。
所以这两块应是设计中锚固的重点。
（4)反拱底板的锚固力比平底板要少20%以上，反拱底板是一种安全经济合理的结构形式。
（5)用接触元模拟水垫塘衬砌块之间的接缝是可行的。
参考文献：[1] 朱伯芳.有限元原理与应用(第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，1998，10.[2] 练继建，杨令强，等.溪洛渡水垫塘水弹性模型实验(中间报告）[R].天津：天津大学，2000， 12.[3] 刘沛清.泄水建筑物消能防冲论文选集[M].北京：中国科学技术出版社，2000.[4] Johnson K L. Contact Mechanics[M]. Cambridge University Press, 1985.[5] Kohnke Peter. Ansys T heory Ref erence Release5，6[R]. 1999.。
