三维有限元方法在大坝安全监测中的应用研究

摘要:近年来,混凝土非线性有限元理论获得了重大的发展,与线弹性分析方法以及常规计算模型相比,非线性有限元方法具有适应性强、力学概念明确、分析精确等优点。本文针对某混凝土重力坝,利用ANSYS建立有限元模型。通过计算得出了混凝土重力坝裂缝发生的因素,可能产生的危害,预防和控制措施,并提出建议。

Abstract: In recent years, nonlinear finite element theory has made significant progress, and compared with conventional calculation model, nonlinear finite element method is adaptable, mechanical concepts clearly and accurately. In this paper, a ANSYS finite element model is created for a concrete gravity dam. Through the calculation, the cracks location in concrete gravity dam was predicted. Finally, study on the factors, potential hazards, prevention and control measures wasmade to give some suggestions.

关键词:混凝土重力坝;ANSYS;有限元;裂缝

Key words: concrete gravity dam;ANSYS;finite element;crack

中图分类号:TV513 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)16-0087-01

0引言

随着我国水利设施的大量兴建,大坝安全监测己经成为一个重要的课题,关乎着亿万人民的生命财产安全和我国经济的发展。通过对监测数据的处理与分析,可以了解大坝的结构性态,并及时发现大坝在运行过程中出现的异常症状[1]。因此,可利用原型观测资料,科学分析大坝各效应量及其影响量之间的关系,及时掌握大坝的运行状态,对大坝安全性态做出合理评价,及时发现问题,采取对策。目前大坝监测资料分析及安全监控中所采用的模型方法主要是统计模型、混合模型和确定性模型[2]。本文选取了大坝变形监测的离散模型,对数学模型在大坝安全监测中的应用作简单介绍。选用大型有限元计算软件ANSYS中的土木工程的模块,应用此模块可以很方便地对坝体的应力应变进行分析[3]。

1工程背景

某混凝土重力坝,坝高100m,上游坡面垂直,下游坡面系数m=0.75。坝基上游取1.5倍坝高,坝基深度取2倍坝高,坝顶长1.5倍坝高,坝顶宽0.1倍坝高。上游库容水位50m,下游水位40m。物理力学参数见表1。

2坝体有限元分析

本文利用有限元模型,对本文中的重力坝进行稳定分析。主要步骤如下:

2.1 启动ANSYS并激活土木模块,按照上述的力学参数添加材料参数。定义PLANE42单元,用来辅助划分网格;定义SOLID65,用来模拟混凝土材料,其中,50m以下和50m以上部分的混凝土由于抗拉、抗压强度不同,需要分别定义;定义SOLID45单元,用来模拟坝基岩石。采用三维模型进行非线性分析。

2.2 建立有限元模型,并划分网格

2.3 添加水位线

2.4 加载求解

2.4.1 限制边界条件在顺流方向(即X方向)的两个侧面,将X方向的位移约束;沿Z方向的两个侧面,将Z方向的位移约束;底面所有自由度都约束。

2.4.2 施加重力及静水压力g取10N/kg,对坝体施加自重力。施加上游静水压力时,上游水位高50m,水密度取1kg/m3,从水面至水下,静水压力由距水面0m处逐渐增加至50m处。如图1所示。

施加下游静水压力。下游水位高40m,与上游同理,施加静水压力。施加坝底扬压力。扬压力是指建筑物及其地基内的渗水,对某一水平计算截面的浮托力与渗透压力之和。坝底岩石结构扬压力根据相关资料确定为0.76MPa。由计算结果得,最大第一主应变出现在坝顶,在下游面与两侧岩石连接处也出现了较大的拉应变,这将可能导致混凝土裂缝的出现;由图2中可以看出第一主应力的分布情况,显然最大的应力值是0.87MPa,这个数值小于混凝土的抗拉强度1.2MPa。

3结束语

本文通过对某混凝土重力坝进行有限元分析,得出以下结论:①混凝土重力坝在坝顶处与坝中处出现较大拉应力,虽然第一主应力值0.87MPa小于混凝土设计抗拉强度,但是混凝土的力学特性是抗压不抗拉。因为,混凝土只能够很好的传递压应力而传递拉应力的性能很差,设计与施工过程中应注意。②坝体顶部与坝踵处位移较大,在设计与施工中应重视其影响。

参考文献:

[1]李富强,钱镜林.大坝监测数据自回归模型特征根的应用研究浙江大学学报(工学版)[J].2009,43(1):193-196.

[2]张进平,黎利兵,卢正超.大坝安全监测研究的回顾与展望[J].中国水利水电科学研究院学报,2008.6-4:317-322.

[3]梁力,李明,王伟,陈宝智.尾矿库坝体稳定性数值分析方法[J].中国安全生产科学技术,2007,3(5):11-15.