混凝土壩水庫(kù)水動(dòng)力相互作用計(jì)算模型研究.pdf

1、博士學(xué)位論文混凝土壩水庫(kù)水動(dòng)力相互作用計(jì)算模型研究StudyontheComputationModelofConcreteDamReservoirHydrodynamicInteraction學(xué)號(hào)：!Q魚(yú)Q魚(yú)Q呈墨胡志強(qiáng)副教授大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要大壩庫(kù)水動(dòng)力相互作用是混凝土壩在強(qiáng)震作用下的動(dòng)力響應(yīng)重要影響因素之一，合理地確定壩面在地震作用下的動(dòng)水壓力及其對(duì)壩體地

2、震響應(yīng)的影響是大壩安全評(píng)估的重要基礎(chǔ)。然而大壩體積巨大，且壩面動(dòng)水壓力受到庫(kù)水可壓縮性、庫(kù)底淤沙的吸收作用、地基柔性、河谷形狀等多種因素的影響，因此現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試還難以準(zhǔn)確獲得壩面動(dòng)水壓力的分布和大小。在理論分析和數(shù)值分析方面，Westergaard首先(1933)對(duì)剛性壩面動(dòng)水壓力進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性研究，之后許多學(xué)者采用解析法、有限元和邊界元等數(shù)值方法進(jìn)行了大量、深入的研究。但計(jì)算模型的精度及效率仍未能滿足工程應(yīng)用的需要。因此，研究新型高效、高精

3、度的數(shù)值方法將對(duì)壩面動(dòng)水壓力的研究具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和工程意義。本文基于比例邊界有限元方法(SBFEM)，針對(duì)壩體上游水庫(kù)為半無(wú)限棱柱形、壩前庫(kù)區(qū)形狀不規(guī)則的情況，提出了壩面動(dòng)水壓力的計(jì)算模型和輻射邊界條件，并完善了大壩地基庫(kù)水系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的有限元和SBFEM耦合計(jì)算模型。主要內(nèi)容如下：(1)在SBFEM的基礎(chǔ)上，建立了壩體上游水庫(kù)為半無(wú)限棱柱水域情況的壩面動(dòng)水壓力計(jì)算模型。利用加權(quán)余量、Hamilton變分原理兩種方法，考慮了庫(kù)水

4、可壓縮性、庫(kù)底吸收條件，提出了壩面動(dòng)水壓力的SBFEM計(jì)算模型。該模型只需離散壩面，且解自動(dòng)滿足水庫(kù)上游無(wú)窮遠(yuǎn)處的輻射邊界條件。利用二維重力壩與三維拱壩的多個(gè)數(shù)值算例，對(duì)壩面幾何形狀變化，壩體特性，地震動(dòng)激勵(lì)對(duì)壩面動(dòng)水壓力大小和分布的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究，并與邊界元、有限元、解析法對(duì)比，驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性和高效性。(2)針對(duì)復(fù)雜形狀的庫(kù)區(qū)，基于SBFEM，提出了一種新的能夠滿足無(wú)窮遠(yuǎn)輻射條件，并且可以考慮庫(kù)水可壓縮性、庫(kù)底吸收條件。該

5、方法僅對(duì)近場(chǎng)有限庫(kù)區(qū)邊界進(jìn)行離散，從而可以大大降低求解的規(guī)模，提高計(jì)算效率。數(shù)值算例表明，本文方法可適用于壩前水域形狀復(fù)雜條件下壩面動(dòng)水壓力的計(jì)算，而且所提出的無(wú)反射邊界條件具有較高的精度和較為廣泛的適應(yīng)性。(3)將求解壩面動(dòng)水壓力和無(wú)限地基的SBFEM計(jì)算模型與壩體結(jié)構(gòu)的有限元模型相結(jié)合，完善了大壩庫(kù)水地基系統(tǒng)的耦合計(jì)算模型。SBFEM在處理無(wú)限域問(wèn)題時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)與有限元方法相結(jié)合，可以充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于本文提