基于离散元的面板堆石坝数值模拟
堆石料亚塑性本构模型及面板堆石坝数值分析
堆石料亚塑性本构模型及面板堆石坝数值分析堆石料是面板堆石坝的受力支撑体系,其受力变形特性在很大程度上决定了大坝的工作性态。
本文在堆石料工程特性分析研究的基础上,对其进行全新的亚塑性本构建模,结合理论分析和数值计算,指出该模型能够反映堆石料的主要力学特性,且又有自身特色,一些特有的研究成果对堆石坝进一步的应力变形分析研究具有一定的指导意义。
具体研究了以下主要内容: (1) 分析了堆石料的压缩性,抗剪特性及其变形机理,概括了堆石料的非线性、压硬性、剪胀性和各向异性等主要力学特性,为亚塑性本构建模奠定了力学分析基础。
此外,对常规堆石料的本构模型进行了概括比较分析。
(2) 系统地介绍了亚塑性本构理论的起源、发展和目前国内外研究现状。
给出了亚塑性理论的数学力学基础理论,分析了亚塑性模型的一般表达形式及其基本力学特性。
(3) 分析研究了散粒体材料的孔隙比变化规律。
结合堆石料的力学特性分析,将Gudehus-Bauer亚塑性模型作一些改进后引入到堆石料本构建模中。
理论分析和计算都表明,该模型能够反映堆石料的主要力学特性。
此外,针对改进模型的9个材料常数中部分参数确定较困难的现象,建议了一种基于部分试验数据和反演分析基础上的参数确定的复合识别法,可方便地确定堆石料亚塑性模型的本构参数。
(4)对几种常规室内土工试验进行了亚塑性数值模拟,结合计算结果对亚塑性模型做了进一步的力学特性分析研究。
(5)开发研制了改进的堆石料Gudehus-Bauer亚塑性模型的有限元法计算程序,将其应用于堆石坝数值分析计算中,得到了一些有意义的新的研究成果。
(6)总结了面板堆石坝三维非线性有限元法计算的基本理论。
(7)对堆石料的流变性采用粘性-亚塑性理论进行了初步建模分析。
建立了基于亚塑性理论的面板与垫层之间的新型接触面模型。
2.2面板堆石坝精细化模拟与动态控制关键技术研究
2.2面板堆石坝精细化模拟与动态控制关键技术研究简要信息【获奖类型】应用一等奖【任务来源】河南省河口村水库工程建设管理局【课题起止时间】2013年1月～2014年12月【完成单位】中国水利水电科学研究院、河南省河口村水库工程建设管理局、南京水利科学研究院、中国地质大学（北京）【主要完成人】魏迎奇、李永江、蔡正银、严俊、于沭、严实、梅钢、谢定松、张茵琪、建剑波背景随着混凝土面板堆石坝坝高的增加、坝基条件复杂程度的提升，其安全控制要求也越来越高，考虑渗流场及温度场的影响，建立堆石材料的尺度效应、时间效应、剪胀特性、湿化特性与渗流特性等模型，能显著提高其应力变形分析水平。
建立水-热-力耦合数学模型，研究面板堆石坝动态控制精细化模拟中结构模拟、材料模型、加速算法等，开展大坝全生命周期应力变形性状预测方法研究，对提高面板坝变形控制水平、确保大坝成功建设与安全运行都具有极其重要的意义。
主要内容本项目综合采用理论分析、地质勘察、原位测试、室内试验与数值模拟等手段，重点研究了面板堆石坝精细化模拟与动态控制中的关键技术问题：●基于三场耦合的混凝土面板堆石坝理论构建与数值分析方法研究●三维数字大坝模型一体化构建技术●面板坝大规模精细化模拟GPU并行加速算法●堆石材料的力学特性与本构模型●安全监测与数据分析方法●面板堆石坝动态控制与分析方法研究●混凝土面板堆石坝精细化模拟与动态分析平台建设中国水科院科学技术奖2018年度获奖成果汇编创新点●通过水-热-力全耦合理论架构的构建，建立了基于三场耦合理论的混凝土面板堆石坝安全分析数学模型，提出了耦合求解的有限元数值分析方法。
●提出了堆石材料E-B模型参数K与最大粒径的对数模型、流变幂函数模型、八参数湿化模型、多内在状态变量的剪胀方程，完善了粗粒料渗透试验的缩尺准则与方法，提出了面板坝垫层料和过渡料的设计准则。
●基于多源异构、非结构化数据特征，建立了融合地质-地形-坝体结构的一体化三维数字大坝构建体系，提出了模型网格离散优化方法；提出了基于GPU并行技术的网格与数值迭代求解的优化算法。
堆石料和接触面弹塑性本构模型及其在面板堆石坝中的应用研究
堆石料和接触面弹塑性本构模型及其在面板堆石坝中的应用研究尽管现代面板堆石坝压实密度和变形模量较早期有很大提高, 但坝体变形仍是面板堆石坝安全设计的主要问题。
筑坝堆石料的变形特性是影响面板应力量值和分布规律的重要因素。
此外,面板应力还与面板与垫层间的接触变形紧密相关。
近年来, 高面板堆石坝在填筑、蓄水以及地震过程中出现了面板挤压破坏和面板脱空等问题, 这些问题与堆石体的变形以及面板与垫层间的接触变形均有着密不可分的关系。
筑坝堆石料本构模型以及面板与垫层间接触面本构模型是计算分析面板堆石坝变形和面板应力分布规律的重要理论基础。
近年来, 面板堆石坝填筑和蓄水过程的弹塑性有限元分析已经有了较大的发展。
但由于缺乏强震情况下的震害资料, 面板堆石坝动力弹塑性分析方法的发展受到了一定的限制。
目前, 在面板堆石坝动力分析中广泛采用的等效线性分析方法可以较好的反映中、低强度地震的加速度反应, 但不能满足大坝在强震环境中可能出现的强非线性乃至破坏全过程模拟的分析要求。
强震下面板堆石坝较大的塑性（残余）变形, 是引起面板挤压破坏和面板脱空等现象的主要原因, 但等效线性分析方法不能考虑动力条件下塑性变形渐进发展过程, 难以合理评价强震下堆石体变形对面板破坏的影响。
为此, 本文首先采用大型三轴仪对筑坝堆石料的颗粒破碎、临界状态及剪胀特性进行了试验研究, 在此基础上提出了一个考虑颗粒破碎的状态相关堆石料广义塑性模型。
然后提出了一个三维广义塑性接触面模型。
最终建立了一套基于筑坝堆石料和面板与垫层间接触面弹塑性本构模型的面板堆石坝三维静、动弹塑性有限元分析方法, 并应用于紫坪铺面板堆石坝填筑、蓄水及地震全过程的静、动弹塑性有限元实例分析。
本文的研究内容及主要结论有：(1) 采用大型三轴仪对紫坪铺筑坝堆石料进行了颗粒破碎试验研究。
试验表明：单调和循环荷载下堆石料的颗粒破碎率与塑性功之间存在良好的双曲线关系, 且受孔隙比、围压和应力路径的影响较小(2) 采用文献中的砂土试验成果分析了颗粒破碎和临界状态的关系。
抛石散体振动密实过程的离散元数值模拟
(4)
&i (t ) ，& &i (t ) 和 由此计算出 x， y 方向的线加速度 & x y &&i (t ) 。对运动方程按 Euler 公式进行数 转动加速度 α & i ] t + ∆t ， [ y & i ]t + ∆t ，[α & i ] t + ∆t 值积分， ∆t 时刻后的速度 [ x 和位移 [ xi ] t + ∆t ， [ yi ]t + ∆t ， [α i ] t + ∆t 可近似表示为 & i ] t + ∆t = [ x &i ]t + [ x &&i ]t ∆t， & i ]t ∆t [x [ xi ]t + ∆t = [ xi ]t + [ x & i ]t + ∆t = [ y & i ]t + [ & &i ]t ∆t， & i ]t ∆t (5) y [y [ yi ]t + ∆t = [ yi ]t + [ y & i ]t + ∆t = [α & i ]t + [α &&i ]t ∆t， & i ]t ∆t [α [α i ]t + ∆t = [α i ]t + [α
。
(3)
2.1 两圆盘单元 i， j 之间的位移与受力状况 在平面直角坐标系下，将整个散体对象离散成 用弹簧及粘结具有圆盘形状的单元的集合体。通过 对单元间的相对位移增量的计算，得到速度与位移 增量的关系式，以此求出单元间的作用力，再代入 动力学基本方程中，并对此方程进行数值积分，进 而得到所有单元在任意时刻的速度、加速度、角速 度、角加速度等物理量，以及整个结构的运动、变 形、以至于破坏的演化过程。 在图 1 所示坐标系下，单元 i，j 在 ∆t 时间内 沿切线和法线的相对位移增量分别为 ∆u n ( 远离方 向为正)、 ∆u s (逆时针方向为正)，具体表示为 (∆vi − ∆v j ) sin[α ij ]t ∆u s = −( ∆ui − ∆u j ) sin[α ij ]t + (∆vi − ∆v j ) cos[α ij ]t + (ri ∆φi + r j ∆φ j ) ∆u n = −( ∆u i − ∆u j ) cos[α ij ]t −
基于E-B模型的面板堆石坝变形模拟
基于E-B模型的面板堆石坝变形模拟
王栋;赵礼;张晓悦
【期刊名称】《浙江水利科技》
【年(卷),期】2018(000)004
【摘要】混凝土面板是面板堆石坝最主要的防渗体,其变形和开裂状态对大坝的整体安全至关重要,在设计阶段需要对施工期及运行期面板的变形做充分预测.土石散粒体的本构模型种类繁多,采用非线性弹性模型中的邓肯E-B模型,结合商业有限元数值模拟软件,对陕西省某水库沥青混凝土面板堆石坝进行数值模拟,对比多年以来坝体和面板的渗漏和变形观测数据,发现模拟结果很好地与实际情况相吻合,表明在混凝土面板堆石坝的变形模拟中,邓肯E-B模型具有很高的工程实用水平.
【总页数】5页(P59-62,71)
【作者】王栋;赵礼;张晓悦
【作者单位】浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心,浙江杭州 310012;浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心,浙江杭州 310012;浙江水利水电学院水利与环境工程学院,浙江杭州 310018
【正文语种】中文
【中图分类】TV641.4+3
【相关文献】
1.基于邓肯E-B模型的面板堆石坝应力变形分析——以毛家河水库面板堆石坝为例 [J], 余华
2.覆盖层上机板堆石坝防渗墙和面板应力变形的离心模型模拟技术 [J], 李国英
3.基于广义塑性模型的高面板堆石坝应力变形数值模拟 [J], 董国庆;何亮
4.基于Gudehus-Bauer亚塑性模型的面板堆石坝应力变形研究 [J], 陈泽钦;刘国明
5.基于不同本构模型的面板堆石坝应力变形分析 [J], 黄小华
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科技成果——面板堆石坝精细化模拟与动态控制关键技术
科技成果——面板堆石坝精细化模拟与动态控制关键技术技术开发单位中国水利水电科学研究院、南京水利科学研究院、河南省河口村水库工程建设管理局
成果简介
该技术针对面板堆石坝精细模拟与动态控制的关键问题开展研究，将各典型材料视为多孔介质，以地质勘测、现场原位试验、室内试验成果为基础，研究了适用于面板堆石坝工程的多场耦合数学分析模型，研发了数值离散方法和超大自由度问题的数值求解方法等，重点解决了材料模型精细化、结构模拟精细化、加速算法精细化等技术难题，并结合典型面板坝工程实际工程条件，以工程安全监测成果和施工期间现场检测结果为依据，提出了动态模拟及反馈分析方法，建立了面板堆石坝管理控制平台，通过模拟分析和工程管理技术开发，实现对工程建设和管理的动态馈控，确保工程的安全建设与运行。
技术特点建立了考虑多尺度、多影响因素的统一修正模型，量化了原型材料参数与试验材料参数的相关关系；建立了反映复杂应力状态的幂函数流变模型、考虑颗粒破碎效应的多内在状态变量剪胀模型以及考虑球应力和偏应力影响的八参数湿化模型；建立了融合地质-地形-结构一体化的三维数字大坝构建方法；改进了IDW和拉普拉苏网格光顺算法和网格几何运算与数值迭代求解的优化算法；建立了水-热-力多目标动态反分析优化模型。
适用范围适用于高面板堆石坝三维数字大坝构建、精细化数值模拟与施工运行过程的动态馈控分析中。
面板堆石坝静动力有限元仿真模型及其应用的开题报告
面板堆石坝静动力有限元仿真模型及其应用的开题
报告
一、选题背景与意义
面板堆石坝是常见的大型水利工程类型，其稳定性及安全性受到强烈关注。
针对面板堆石坝在地震等自然灾害中的稳定性分析和评估，需要进行静动力有限元分析，以求得更为准确的分析结果。
二、研究目的
本研究的主要目的是针对面板堆石坝进行静动力有限元仿真模型的建立，并对其进行应用测试，以验证模型的准确性和可靠性，为实际工程提供参考和指导。
三、研究内容
1. 非线性有限元理论与方法的研究，建立面板堆石坝静动力有限元仿真模型；
2. 模型参数的选取和优化，通过静力及地震荷载的施加，验证模型的计算精度；
3. 模型应用实例分析及结果验证，比较与实测数据的误差，评估其可靠性。
四、研究方案与方法
1. 对面板堆石坝的结构特点和动力特性进行分析，优化选取建模参数；
2. 基于ANSYS软件对静力及地震荷载作用下的面板堆石坝进行有限元模型建立；
3. 对模型的准确性进行验证，并与实际观测数据进行比较，分析模型可靠性。
五、预期结果和进展
本研究的预期结果是建立完整的面板堆石坝静动力有限元仿真模型，通过模型验证实现对面板堆石坝稳定性的分析和评估，为实际工程提供
参考和指导。
目前已完成部分模型建立及参数选择工作，进展顺利。
水利水电工程外文翻译—基于离散单元法的砌石重力坝安全分析工具
外文翻译专业水利水电工程基于离散单元法的砌石重力坝安全分析工具摘要介绍一种基于离散单元法的砌石重力坝分析数值模型。
大坝和岩基用3到4节点的基本块组成的块集合表示。
复杂的块形状通过把基本块整合到宏模块来得到，允许模型应用在从等效连续到完全不连续分析的各种情形。
开发了一个接触面公式，能够根据基本块之间建立的接触面，基于一种精确的边边方法表示宏模块之间的相互作用。
描述了模型的主要数值方面，特别介绍了接触面的创建和更新步骤以及一个支持一种高效且能够得到明显结果的算法的数值设备。
讨论了一个现有的砌石坝的安全评价的应用，包括结构的应力分析和涉及大坝岩石界面附近不同路径的滑动失效机制的评估。
关键词砌石坝；离散元；应力分析；失效机制1 简介结构分析必须使用适当的手段来实现它的最终目的。
这些手段必须能够：（1）模拟建筑物的几何和物理特征，尤其是不连续的和共有的特征；（2）用一套完整的方法来模拟荷载，能够考虑所涉及的不同现象间的相互影响；（3）评价非线性作用，特别是能够界定失效结构。
砌石重力坝应该被理解为一个包含坝体本身，水库，岩石基础的系统。
坝体和岩石是不均匀且不连续的介质。
坝体和围岩的交界面也是不连续的，需要特别注意。
不连续面控制着砌石坝的强度，因为它们是薄弱面，决定着主要失效机制。
另外，大坝所受的各种不同的荷载需要一套完整的方法来处理，因为它们之间相互关联。
这些独特的特点使得大1多数的数值工具，无论商业的还是科学的，都不能完全适合地模拟浆砌石重力坝。
在这种背景下，新的数值工具的发展就显得尤为重要。
本文将描述一种为砌石重力坝的静力、动力及流体力学的分析量身定做的数值工具，离散单元法。
离散单元法最初是为了处理岩石力学问题而提出的替代有限元法的方法。
离散单元法的基本原理是将不连续介质看作受力作用不同的块的集合，因此不同于将其看作同一单元的有限元法。
这些数值处理方法也被广泛地应用于砖石结构。
在Cundall所开发的产品的基础上发展起来的二维编码通用离散元程序（UDEC），已经被用于包括混凝土坝的地基等方面的研究中，主要用于尝试通过岩石评估失效机理。
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文章标题：基于离散元的面板堆石坝数值模拟及工程应用
一、引言
石坝是水利工程中常见的一种重要结构形式，特别是在山区、丘陵地带，石坝因其具有良好的适应性和环境友好性而得到广泛应用。
在石
坝的设计和施工过程中，如何准确评估其稳定性和安全性是非常重要的。
近年来，基于离散元数值模拟方法的应用为石坝工程领域带来了
重大突破，尤其是面板堆石坝的数值模拟研究，为石坝设计和施工提
供了新的思路和方法。
二、面板堆石坝的特点
面板堆石坝是一种由预制混凝土面板和石块构成的新型石坝。
相比传
统的重力石坝，面板堆石坝具有结构轻、渗流能力强、施工方便等优点。
然而，由于面板堆石坝结构特殊，传统的有限元数值模拟难以准
确评估其力学行为和破坏特征。
三、基于离散元的面板堆石坝数值模拟
离散元数值模拟是一种基于颗粒体系动力学理论的数值模拟方法，能
够真实地模拟材料的物理性质和结构破坏过程。
在面板堆石坝的数值
模拟中，离散元方法可以考虑面板和石块之间的非线性接触和位移关系，真实地模拟面板堆石坝在水压和地震等外载荷作用下的力学响应。
四、面板堆石坝数值模拟的工程应用
通过基于离散元的面板堆石坝数值模拟，可以准确评估面板堆石坝在
不同工况下的变形和破坏特征，为石坝的设计和施工提供科学依据。
数值模拟还可以指导面板堆石坝的监测和维护工作，提高石坝的安全
性和稳定性。
五、个人观点和理解
面板堆石坝的数值模拟是石坝工程领域的重要研究方向，其应用将为
面板堆石坝的设计、施工和运行管理提供重要的支持。
离散元数值模
拟的方法也可以借鉴和推广到其他领域，为水利工程和岩土工程的发
展提供新的思路和方法。
六、总结
基于离散元的面板堆石坝数值模拟是当前石坝工程领域的研究热点之一。
通过数值模拟，可以全面、深刻地理解面板堆石坝在复杂工况下
的力学行为，为工程实践提供重要的技术支持。
希望未来能加强对离
散元数值模拟方法的研究和应用，为我国水利工程和岩土工程的发展
贡献更多力量。
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撰写的文章，在确认无误后，我会按照知识的文章格式进行整理排版。
希望这篇文章能给你带来一些启发和收获。
如果有其他问题需要帮助，请随时告诉我。
七、面板堆石坝数值模拟的挑战和未来展望
面板堆石坝数值模拟虽然在石坝工程领域取得了重要进展，但仍面临
一些挑战。
面板堆石坝结构的复杂性和非线性行为使得数值模拟需要
考虑更多的因素，如材料特性、接触和位移关系等。
现有的数值模拟
方法还需要进一步验证和改进，以提高模拟结果的准确性和可靠性。
面板堆石坝在实际工程中的应用还需要更多的案例验证和实践经验积累。
未来，可以通过以下途径解决上述挑战。
加强面板堆石坝工程实践的
观测和数据采集，为数值模拟提供更多的真实工程案例和验证数据。
借助先进的计算机软件和硬件，不断完善离散元数值模拟方法，提高
模拟的精度和效率。
推动交叉学科的合作，结合岩土工程、结构工程、水文水利等领域的专业知识，开展更深入的研究和探索，为面板堆石
坝数值模拟提供更全面的技术支持。
八、面板堆石坝数值模拟在岩土工程领域中的应用
除了在石坝工程领域的应用，基于离散元的数值模拟方法还可以推广
到岩土工程领域的其他工程中。
在地下工程中，离散元数值模拟可以
应用于隧道、地下室等地下结构的稳定性分析和设计优化。
在岩土边
坡工程中，数值模拟可以帮助工程师预测边坡稳定性、地质灾害风险等，并优化工程方案。
另外，在地下水和土体耦合作用的研究中，数
值模拟可以帮助工程师有效地评估地下水位变化对土体稳定性的影响，为工程防治地下水涌出提供有效的方法和技术支持。
九、结语
基于离散元的面板堆石坝数值模拟是水利工程和岩土工程领域的重要研究课题，其应用将给工程实践带来重要的技术支持，为工程设计、施工和管理提供科学依据。
在未来的研究和实践中，希望能够加强交叉学科的合作，不断改进数值模拟方法，推动离散元技术在工程实践中的广泛应用，为我国的水利工程和岩土工程发展贡献更多力量。