混凝土面板堆石坝的一种坝坡修整算法

基于混凝土面板堆石坝面板施工的实际情况,指出了通常混凝土面板堆石数值计算在模拟面板施工算法上的缺陷。提出了面板堆石坝竣工期上游坝坡修整力学问题,建立了一种适合平面问题和三维问题的统一坝坡修整算法,对任何采用接触模型模拟垫层料和混凝土面板受力特性的有限元计算模型,都具有普遍意义,并在有限元软件ABAQUS中实现了该算法。算例分析表明：该算法简洁和有效,能够保持良好的网格形态,使接触非线性计算收敛速度极大改善,并使蓄水状态下混凝土面板和坝体计算结果更趋于真实。同时,对考虑堆石料流变特性,研究施工阶段或蓄水后混凝土面板与垫层之间是否会发生“脱空”现象提供必要基础。     

流变变形对高面板堆石坝面板脱空的影响分析

面板堆石坝尤其是高面板堆石坝的运行实践表明,堆石的流变现象比较显著。采用基于直接约束算法的接触力学分析方法模拟了混凝土面板和堆石体之间的接触关系。考虑堆石体的流变特性,并结合天生桥一级面板堆石坝的现场观测结 果,对高面板堆石坝中的面板脱空问题进行了有限元计算分析,研究了坝体流变变形对面板脱空和垫层亏坡问题的影响。     

混凝土面板堆石坝数值仿真分析

分析了面板堆石坝仿真计算中两种材料的本构模型的优缺点,根据混凝土面板堆石坝结构形式和坝体填筑材料物理性质复杂的特点,开发了FORTRAN语言编写的面板坝计算程序。该程序在面板分缝处理中采用分离缝模型的方法,符合实际面板之间的变形特性,并将该程序引进ANSYS商业软件中,充分利用商业软件的界面功能,提出了一种新的面板坝计算机数值模拟分析方法。该方法可以对混凝土面板堆石坝的整个施工过程和运行期进行二维和三维数值模拟计算和图形显示,结果形象、直观清楚。     

挤压边墙对混凝土面板影响的三维有限元分析

挤压式边墙技术是近年混凝土面板堆石坝发展最具有代表性的新技术之一。本课题以使用挤压式边墙的面板堆石坝为主要研究对象,具体结合一个工程实例进行分析。运用ANSYS参数化设计语言（APDL）实现了用点面接触单元模拟面板与边墙的接触;创新性地采用非线性连接单元模拟面板垂直缝和周边缝。在此基础上,计算了有挤压式边墙和无边墙两种情况下坝体及面板分别在竣工期和蓄水期的应力、变形;最终确定两者面板应力应变之间的差异,明确挤压边墙对面板的影响。     

流变效应对高混凝土面板堆石坝应力变形的影响

采用三维非线性有限单元法对牛牛混凝土面板堆石坝施工期和蓄水期的应力变形进行模拟计算,并结合沈珠江提出的指数型曲线流变模型,采用自行编制的有限元程序对大坝进行了三维流变分析,得到了坝体、面板在各个时期的应力和变形情况,以及堆石流变对坝体应力变形的影响;计算面板和周边缝位移时采用了三维子模型法,根据实际的坝体填筑、蓄水过程,对每一期面板浇筑之前的坝体上游面位移进行修正,并通过在面板与堆石体之间设置三维面-面摩擦接触单元,来有效模拟面板的应力、变形,为该坝的进一步优化设计提供了有益的建议。     

混凝土面板堆石坝三维仿真分析

根据混凝土面板堆石坝的特点,提出了一种计算机数值和图形模拟方法,可以对混凝土面板堆石坝的整个施工过程和运行期进行三维非线性仿真计算分析和计算机图形模拟。     

面板堆石坝垂直缝破坏下三维渗流场有限元模拟

采用改进节点虚流量法求解无压稳定渗流场,并引入无厚度的裂缝模型对破坏的垂直缝渗流行为进行模拟,得到面板堆石坝裂缝渗流问题的有限元分析方法,并编制Fortran程序。以某混凝土面板堆石坝为例,计算了面板单一垂直缝破坏和多条垂直缝破坏条件下的三维渗流场,得到不同条件下渗流场的水头分布、浸润线以及渗漏量,系统分析了面板堆石坝在垂直缝破坏条件下的稳定渗流场规律和特点。结果表明,该方法能对渗流逸出点和浸润线进行准确定位,还能很好地模拟面板垂直缝破坏对坝区渗流场的影响,可以为面板堆石坝的接缝设计提供参考。     

基于显式时间积分的球颗粒DDA计算方法

非连续变形分析方法（DDA）是一种平行于有限元法的新型数值计算方法,该方法基于最小势能原理,把每个离散块体的变形、运动和块体之间的接触统一到平衡方程中进行隐式求解。然而,传统DDA方法在计算过程中需组装整体刚度矩阵并联立求解方程组,在用于大型岩土工程问题的三维数值模拟时占用内存较大、耗时较长、计算效率极低。因此,提出一种基于显式时间积分的三维球颗粒DDA方法。该方法在求解过程中不需要组装整体刚度矩阵,在求解加速度时,由于质量矩阵为对角矩阵,可存储为一维向量占用内存较少,且可分块逐自由度求解,效率较高,在接触判断上采用最大位移准则简化了接触算法,采用较小的时步,保证了计算的精确性;通过几个典型算例验证了该方法的准确性及计算效率。     

一种解岩土工程变形体-刚体接触问题的有限元法

大多数的岩土工程问题都会涉及到岩土体-结构之间的相互作用,它们之间界面的合理模拟对计算结果有重要的影响。目前常用的Goodman节理单元、Desai薄层单元等虽然简单好用,但也存在着明显的缺陷。相比之下,作为接触问题计算,可更为合理地模拟接触面的力学行为。针对变形体-刚体这种特殊的接触问题,应用变形体的虚功原理建立了相应的虚功方程,在此基础上得出有限元计算公式,并建立了弹塑性接触问题有限元计算的实现方法。通过对刚性条形基础基底压力分布和刚性挡墙土压力分布等算例的计算,验证了该法的正确性和求解工程问题的有效性。     

基于扩展Lagrange乘子的Clough接触面模型及应用

双曲线接触面本构模型能比较真实地模拟堆石材料与混凝土面板间的接触关系,扩展Lagrange乘子法能比较精确地计算接触面间接触状态。在吸取Clough双曲线接触面本构关系应用于无厚度的Goodman单元和有厚度的Desai薄层单元的成功经验的基础上,将Clough双曲线接触面模型引入扩展Lagrange乘子法进行摩擦接触问题的求解。介绍了基于扩展Lagrange乘子法的序列二次规划法（SQP）提法,详细推导了在扩展Lagrange算法的非线性接触计算中引入Clough双曲线接触面本构关系的数值列式和实施步骤。数值算例和工程实例的计算结果证明该方法是成功的,能够比较真实地模拟堆石-混凝土墙（混凝土面板）之间的接触状态。     

电位器式位移计在土石坝安全监测中的应用

主要介绍电位器式位移计多功能性在几个工程中的应用情况。以单支电位器式位移计为核心组成的TS型土位移计用于观测心墙与岸坡混凝土垫层的剪切位移或拉伸位移,该仪器已经在多座心墙堆石坝应用,及时地监测了心墙的变形状况。以双支电位器式位移计为核心组成的TST型面板脱空位移计用于监测面板的脱空变形和剪切变形,为面板脱空处理的方案的确定以及对面板脱空处理后的效果的判断提供依据,该仪器已经在国内的高面板堆石坝成功应用,及时获得了面板脱空数据及变化曲线。以三支电位器式位移计为核心组成的TSJ型周边缝测缝计用于监测周边缝的开合度和剪切变形、垂直面板方向的沉降变形,该仪器已经在国内多座面板堆石坝应用,实时地取得周边缝的变形状态及变化曲线,为大坝安全评价提供了依据。     

堆石体流变对混凝土面板坝应力变形特性的影响

简要介绍了公伯峡水电站混凝土面板堆石坝坝内堆石料流变试验结果和流变计算模型。采用三维有限单元法对公伯峡水电站混凝土面板坝进行了模拟计算,对比了考虑堆石料流变和不考虑流变的计算结果,分析研究了堆石料流变特性对坝体变形以及对混凝土面板应力变形和周边缝位移的影响。     

三维离散块体边-边接触模拟

任意形状块体的接触模拟是发展三维不连续变形分析方法（3D-DDA）的关键问题。提出了三维离散块体单元的 边-边接触模型,并给出了边-边接触进入面的判定方法和嵌入准则。基于矢量分析和罚函数法,推导了接触子矩阵的表达式,算例分析结果表明了该模型的有效性。     

三维界面元的数值计算方法及应用

结合界面元方法的特点,在交界面上考虑相邻块体的材料和变形特征,不需增加任何形式的夹层单元,即可有效模拟块体的不连续变形。并导出了各向同性材料的界面应力公式以及非线性本构关系,根据摩尔-库仑屈服准则建立了弹塑性迭代的数值计算方法,并以此为基础,编制相应的计算程序。利用数值算例与理论值结果的对比分析,验证了界面元方法具有原理简单、可模拟不连续面及应力精度高等优势。     

二维接触问题的互补算法及工程应用

接触问题是一种常见的非线性问题,如何能够很好地模拟接触面的变形及受力特性,以及实现对变形体间的接触问题的真实模拟是该领域研究的难点问题。基于二维接触问题的实际物理意义,分别在法向和切向建立等价的互补模型。用非线性互补函数（NCP）中的Fischer-Burmeister（FB）函数将互补函数模型转化为非光滑方程组表达,用常规的Newton法求解。同时,基于高斯积分法可以用较少的积分点达到较高的精度,为了进一步提高求解精度,改善不连续的通病,对面-面接触模型在高斯点上对接触面进行处理,可通过调节积分点数目对求解精度进行控制,方法易于理解,实现方便。在此基础上建立二维接触有限元模型,通过一系列工程算例验证该方法的可行性与有效性。结果表明,与ABAQUS有限元的计算结果相比,该方法有着较高的精度,更真实地反映问题的实际。     

深覆盖层上面板堆石坝应力变形特性研究

结合实测资料和有限元方法分析建于深覆盖层地基上面板堆石坝的应力、变形特性。数值计算中采用邓肯-张E-B模型模拟覆盖层地基和坝体的应力、变形行为,同时采用无厚度接触面模拟面板和坝体以及防渗墙和地基之间的相互作用。整理和分析工程实测资料并与数值计算结果进行对比分析,重点分析坝体和防渗结构的力学行为以及面板堆石坝和地基之间的相互作用。比较分析表明,大坝最大沉降和压应力分别发生在坝体底部和覆盖层中,覆盖层对坝体及防渗结构的应力、变形特性具有显著影响,应力、变形实测值与数值计算结果吻合较好,说明数值计算结果的有效性。在此基础上,分析了覆盖层上面板堆石坝分期填筑和筑坝速度对坝体和防渗结构应力变形的影响。结果表明,分期填筑引起坝体较大不均匀沉降和复杂的应力状态,但一定程度上可以改善防渗墙的应力变形特性;较快的坝体填筑速度容易引起坝体较大的前期应力和后期沉降,不利坝体的施工和运行。     

挤压墙工法对面板堆石坝应力变形影响规律研究

利用三维有限元数值模拟方法,分析了采用挤压墙的面板堆石坝的应力变形规律。与不采用挤压墙和采用半挤压墙型式的方案进行比较,研究了挤压墙的存在及其型式对于面板堆石坝应力变形响应的影响。计算结果表明,挤压墙的存在及其型式对于坝体的应力变形以及面板挠度变形影响较小;对面板的应力分布情况有一定影响,但不会对面板安全性产生明显影响;挤压墙的存在有利于减小周边缝的沉陷变位。     

龙首二级面板堆石坝三维真非线性地震反应分析和评价

基于土石料三维粘弹塑性动力本构模型,并采用新型三维各向异性有厚度薄单元来模拟面板和堆石的接触面特性,建立了高面板堆石坝地震反应分析的三维真非线性动力分析方法.利用坝料动力特性的大型三轴试验成果,分析计算了龙首二级(西流水)面板堆石坝的地震反应,主要包括加速度反应、堆石体应力反应及坝体单元抗震安全系数、面板应力反应和变形及接缝位移、高趾墙动力反应等.为大坝的抗震设计提供了有力的技术依据.     

采用挤压边墙技术的高面板坝裂缝成因分析

为加快施工进度,国内很多高面板堆石坝都采用了挤压边墙技术,用上游坡面的挤压边墙代替传统的垫层。挤压边墙的施工特点决定了其与上覆面板之间的结构关系将与传统的面板-垫层有很大差别。虽然目前面板坝的施工技术和施工水平较以前有较大的提高,但少数工程仍然出现了比较严重的面板裂缝,而采用挤压边墙技术的面板坝施工期出现的裂缝分布规律与采用面板-垫层施工方法有明显的不同。面板裂缝的产生与面板施工期的应力变形状态密切相关,目前面板堆石坝计算中采用的整体模型方法对面板的概化较多,得到的面板应力精度较差。根据挤压边墙实际的施工特点,提出采用子模型法分析面板的应力变形,对某面板坝工程裂缝成因的分析结果表明,温降和上游坡面局部高程不平整引起的面板与挤压边墙之间的局部约束过大是导致面板裂缝的主要原因。     

模拟三维裂纹问题的扩展有限元法

扩展有限元法是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法,其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动不连续面时无需对网格进行重新剖分。给出了模拟三维裂纹问题的扩展有限元法。在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性。用两个水平集函数表示裂纹。采用线性互补法求解裂纹面非线性接触条件,不需要迭代,提高了计算效率。采用两点位移外推法计算裂纹前缘应力强度因子。给出了3个三维弹性静力问题算例,其结果显示了所提方法能获得高精度的应力强度因子,并能有效地处理裂纹面间的接触问题,同时表明扩展有限元结合线性互补法求解不连续问题具有较好的前景。