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流固耦合下的土石坝稳定性分析研究
作 者: 祝小靓
导 师: 徐镇凯
学 校: 南昌大学
专 业: 水利水电工程
关键词: 土石坝 有限元 强度折减法 渗流 稳定 流固耦合 摩尔-库伦
分类号: TV641
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要
土石坝作为一种传统的坝型,在水利界占据着举足轻重的地位。近年来开展的大规模除险加固工作,再一次将土石坝作为焦点呈现在工程人员乃至广大百姓面前。由于土石坝的失稳大多数都与渗流有关,因而防渗处理是土石坝除险加固最主要的工作之一。目前,工程中大部分土石坝加固分析包括设计计算分析都是将渗流场与应力场分开分析的,没有考虑它们之间的相互耦合作用。研究分析表明,土石坝中渗流场与应力场的耦合效应是比较明显的,在对土石坝进行稳定性分析研究时,考虑流固耦合的作用是很有必要的。本文首先利用有限元软件,采用摩尔-库伦和Drucker-Prager弹塑性模型,对一个实际边坡进行分析,将计算结果与Geo-Slope软件的传统极限平衡法进行对比,证明了有限元强度折减法分析坝坡稳定的可行性,结合本文第一章的土坡稳定计算方法的分析比较,最终决定将摩尔-库伦弹塑性模型应用于七一水库的坝坡稳定性研究,并分析了不同的坡高与坡角对边坡稳定性的影响。文章利用非线性有限元软件强度折减法,对无水条件下加固前后的七一水库的坝坡稳定性进行分析,得出土石坝进行混凝土防渗墙加固,对坝坡稳定性的影响,并对影响土石坝稳定的粘聚力、摩擦角和防渗墙位置进行了不同取值,得出这些因素对坝坡稳定性的影响程度。最后在校核洪水位下对大坝进行了渗流、应力、位移分析,并在三种不同水位(校核洪水位、设计洪水位和正常蓄水位)工况下,运用有限元软件的Soils耦合分析步,考虑了流固耦合作用,对坝坡稳定性进行分析,与未考虑流固耦合的结果进行对比分析,以此说明渗流场与应力场相互耦合作用对土石坝稳定的影响以及防渗墙的防渗效果。通过本文研究分析,初步探讨了影响土石坝稳定性的主要因素,同时通过有限元法分析了边坡稳定性,对坝体内的应力分布、变形分布、塑性区分布等规律做了较为准确的量化表征,得出滑裂面的大致位置和安全系数,为同类坝型的合理设计及滑坡预测提供了决策依据,为土石坝除险加固的设计与施工提供了参考依据。同时对规范提出了一定的建议。
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全文目录
摘要 3-4 ABSTRACT 4-6 目录 6-9 第1章 绪论 9-19 1.1 研究背景及意义 9-10 1.2 土石坝优点及发展综述 10-13 1.2.1 土石坝优点 10-11 1.2.2 国内外土石坝发展现状 11-12 1.2.3 江西省土石坝发展现状 12-13 1.3 土坡稳定分析现状 13-17 1.3.1 极限平衡法 14-15 1.3.2 塑性极限分析法 15-16 1.3.3 有限元法(FEA) 16-17 1.3.4 稳定分析方法选用 17 1.4 本文研究内容 17-19 第2章 土体本构模型及流固耦合分析 19-35 2.1 土体本构模型及比较 19-24 2.1.1 弹性本构关系 19-20 2.1.2 塑性本构关系 20-24 2.1.3 本文本构模型的选用 24 2.2 流固耦合分析 24-34 2.2.1 土石坝渗流计算模型的建立 24-29 2.2.2 渗流场对应力场的影响 29-30 2.2.3 应力场对渗流场的影响 30-31 2.2.4 渗流场与应力场的耦合方程 31-34 2.3 本章小结 34-35 第3章 强度折减法的基本原理及破坏评价标准 35-44 3.1 强度折减法的基本原理 35-36 3.2 坝坡临界破坏评价标准 36-37 3.3 强度折减法的应用 37-42 3.3.1 强度折减法可行性分析 37-40 3.3.2 边坡稳定的影响因素 40-42 3.4 本章小结 42-44 第4章 七一水库坝坡稳定分析 44-54 4.1 七一水库工程简介 44-46 4.1.1 工程概况 44-46 4.1.2 计算断面的选取 46 4.2 有限元计算模型及计算参数 46-53 4.2.1 计算模型 46-47 4.2.2 计算参数 47 4.2.3 加固前后坝坡稳定性对比 47-50 4.2.4 防渗墙前后位置对坝坡稳定的影响 50-52 4.2.5 粘聚力和摩擦角对坝坡稳定的影响 52-53 4.3 本章小结 53-54 第5章 七一水库渗流分析 54-76 5.1 七一水库加固前后渗流分析 54-57 5.2 七一水库渗流作用应力应变分析 57-69 5.2.1 无水条件下坝体加固前后应力应变 57-61 5.2.2 校核洪水位下坝体加固前后应力应变(未耦合) 61-65 5.2.3 流固耦合作用下的坝体应力位移 65-69 5.3 七一水库流固耦合作用下的稳定性分析 69-74 5.4 本章小结 74-76 第6章 结论与展望 76-79 6.1 结论 76-77 6.2 展望 77-79 致谢 79-80 参考文献 80-82 攻读学位期间的研究成果 82
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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水利枢纽、水工建筑物 > 挡水坝 > 土石坝(当地材料坝、填筑坝)
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