重力坝水力劈裂的数值模拟与坝踵真实应力性态研究

《重力坝水力劈裂的数值模拟与坝踵真实应力性态研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、重力坝水力劈裂的数值模拟与坝踵真实应力性态研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：沙莎指导教师：张国新教高联合导师：李庆斌教授二○一七年九月NumericalSimulationofHydraulicFracturingofGravityDamsandStudyontheRealStressStateofDamHeelDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyin

2、HydraulicEngineeringbyShaShaDissertationSupervisor:ProfessorZhangGuoxinAssociateSupervisor:ProfessorLiQingbinSeptember,2017摘要摘要随着水利水电事业的蓬勃发展，我国兴建了大量重力坝，为国民经济发展做出了重要贡献。但是这些已建重力坝存在两个重要问题，一是高坝水力劈裂问题，二是坝踵应力监测值与设计值出入较大的问题，这两个问题引起了国内学者的广泛关注。本文针对这两个问题进行了相关研究，主要工作和创新性成果如下：（1）基于有限单元法提出一种应力-渗流-损伤耦合模型，

3、用于重力坝水力劈裂的模拟，该耦合模型具有以下特点：（a）考虑了混凝土的应变软化特性、损伤对孔隙水压影响系数的影响、未损伤时应力对渗透系数的影响、损伤后变形对渗透系数的影响；（b）采用网格增强技术，使得断裂能的消散不受网格的影响；（c）考虑了水力劈裂过程中的四个耦合过程。通过单边缝正方形板、三点弯曲梁、1:40模型重力坝、Koyna重力坝开裂模拟及内嵌裂缝的圆柱体混凝土试件水力劈裂模拟，验证了本文耦合模型的正确性。（2）采用应力-渗流-损伤耦合模型，以Koyna重力坝为例，研究了水力劈裂效应对重力坝裂缝扩展路径、承载力的影响，数值模拟结果表明水力劈裂效应对大坝的结构响应有显著影响

4、，考虑水力劈裂的影响，大坝承载力显著降低，大坝将更危险。以黄登碾压混凝土坝为例，研究了水头超载作用下，水平初始缝的位置、深度对重力坝水力劈裂的影响，数值模拟结果表明：考虑水力劈裂效应时，初始缝的位置、深度对重力坝裂缝扩展过程、最终轨迹、坝体承载力有显著影响。（3）采用应力-渗流-损伤耦合模型，以国内某混凝土重力坝为研究对象，进行了重力坝三维水力劈裂的模拟，研究了水平初始缝的位置，竖直初始缝的长度、深度、位置，坝体混凝土强度，蓄水后内外温差对水力劈裂的影响及斜初始缝的水力劈裂。数值模拟结果表明，初始缝的长度、深度、位置、坝体混凝土强度、内外温差对重力坝水力劈裂有显著影响，斜初始缝

5、最容易发生水力劈裂，并且危害最大，水平初始缝抗水力劈裂的能力最强。（4）在全面分析监测资料的基础上，基于应力-渗流-损伤耦合模型，采用全过程仿真分析软件SAPTIS，以三峡重力坝泄洪2号坝段为例，研究了大坝施工期-运行期全过程的坝踵应力变化规律，仿真分析的结果与实测结果基本吻合，初步解释了坝踵铅直向应力的成因，表明该方法可以进行重力坝坝踵真实应力性态的研究。关键词：重力坝；水力劈裂；应力-渗流-损伤；耦合；坝踵应力IAbstractAbstractWiththevigorousdevelopmentofwaterconservationandhydropower,alargen

6、umberofgravitydamshavebeenbuiltinChina,whichmakesimportantcontributionstonationaleconomy.However,twoimportantproblemsexistinthesebuiltdams.Oneishydraulicfracturingofgravitydams,andtheotheristhatthereismuchdifferencebetweenthemonitoringvalueanddesignvalueofthestressindamheel.Thetwoproblemshav

7、earousedextensiveconcernofdomesticscholars.Inthisstudy,thetwoproblemsarestudied,andthemainworkandtheinnovationachievementareasfollows:(1)Basedonthefiniteelementmethod,astress-seepage-damagecouplingmodelisproposedforthesimulationofhydraulicfracturin