基于ANSYS的拱坝坝肩及坝基整体稳定分析
基于ANSYS的拱坝模态分析 (1)
第29卷第9期2011年9月河南科学HENAN SCIENCEVol.29No.9Sep.2011收稿日期：2011-06-08作者简介：冯涛（１９７１－），男，河南驻马店人，高级工程师，从事水利水电工程设计.文章编号：1004-3918（2011）09-1081-04基于ＡＮＳＹＳ的拱坝模态分析冯涛，李庆亮，孙大为（河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州４５００１６）摘要：建立了长岭水库拱坝有限元模型，并根据Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ公式编制程序在迎水面面板上施加流固耦合引起的“附加质量”.在模态分析中，计算了拱坝加固前后的自振频率，讨论了“附加质量”对拱坝自振特性的影响，为拱坝除险加固设计提供了参考依据.计算结果表明，结构加固后，显著提高了拱坝的抗震性能.关键词：拱坝；附加质量；结构加固；模态分析中图分类号：TV 314文献标识码：A模态分析用于确定所设计的机构的动力特性，包括结构的固有频率和振型，它们是结构动力设计计算的重要参数.同时，模态分析也是进行谱分析、谐响应分析或瞬态动力学分析所必需分析的前期过程.１模态分析的数值模拟拱坝本身是具有无限自由度的空间结构体系，由拱坝和基础构成，有限元理论就是将结构离散成一个具有有限自由度的空间结构系统的一种近似数值算法，这样坝体就具有了有限个固有频率和振幅.当系统受到激振力作用时，其振动响应为各阶主振型的叠加.当激振力的频率与系统的某一阶固有频率相同或相近时，系统就会发生共振，这时系统的振动响应就是这阶固有频率的主振型，其它振型的贡献可忽略不计.不考虑阻尼和外力，ｎ个自由度系统振动微分方程为［M ］｛y 咬｝+［K ］｛y ｝=0，（１）式中：［M ］为质量矩阵；［K ］为刚度矩阵；｛y ｝为位移列向量；｛y 咬｝为加速度列向量.根据微分方程组和模态分析理论，则ｎ个主振型为：｛y ｝=｛Y ｝sin （棕t+琢），假设其中位移幅值向量｛Y ｝T=［Y 1，Y 2，…，Y n ］，得振幅方程：｛［K ］-棕%2［M ］｝｛Y ｝=｛0｝.求出ｎ个主振型为：｛Y %（1）｝，｛Y %（2）｝，…，｛Y %（n）｝.记M k =｛Y %（k ）｝T ［M ］｛Y %（k ）｝，K k =｛Y %（k ）｝T［K ］｛Y %（k）｝，其中：M k 、K k 称为第ｋ个主振型的广义质量、广义刚度.以｛Y %（k）｝T前乘以振幅方程，可得频率公式：棕k =K kM k姨.当研究拱坝流固耦合的自振特性时，忽略阻尼作用，其结构的自由振动方程最后简化为：｛［M ］+［M f ］｝｛y 咬｝+［K ］｛y ｝=0，（２）式中：［M ］、［M f ］、［K ］分别为结构的质量矩阵、附加质量矩阵和刚度矩阵[1].２Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ附加质量模型假定水体为不可压缩性液体，这时水流的动力作用就相当于在坝体的质量矩阵上加一个附加质量矩阵.Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ附加质量模型就是一种考虑水体对结构作用的动力分析计算方法.根据实际的动水压力在坝踵产生的弯矩与模拟的动水压力图形在坝踵产生的弯矩相等的条件，Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ提出坝面的动水压力沿水第29卷第9期河南科学深方向呈抛物线形式分布，导出了Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ附加质量计算模型：M 棕（h ）=78籽拽０h 姨，式中：M 棕（h ）表示水深ｈ处的库水附加质量；籽为水体密度；拽０为库水深度；ｈ为计算点的水深[2鄄4].本文编制了相应的程序，采用质量单元模拟库水附加质量作用，施加到相应的单元上，并将其组合到拱坝的质量矩阵［M ］中.３工程分析３．１工程概况长岭水库大坝为浆砌条石重力拱坝，包括左侧挡水坝段和右侧溢流坝段.其中右侧溢流坝段顶高程为２７５．０ｍ，坝顶长１０８．３ｍ，宽３．１ｍ，最大坝高３７ｍ，上下游坡比分别为１∶０．０１３和１∶０．３，河床以下为垂直矩形，１４．０ｍ宽；左侧挡水坝顶高程２７９．６ｍ，坝顶长８０．４ｍ，宽３．７ｍ，最大坝高２７．６ｍ，上下游坡比分别为１∶０．０１３和１∶０．５，上部设置１ｍ高的防浪墙.水库坝体单薄，坝顶存在裂缝，多年来带病运行，急需进行除险加固.设计方案为在坝体上下游面增加钢筋混凝土面板衬砌，加大坝体横断面，上游采用Ｃ２５钢筋混凝土，下游采用Ｃ３０钢筋混凝土结构.上游面板顶部高程２７５．０ｍ处面板厚０．５ｍ，向下２５１．０ｍ高程处增厚至２．０ｍ，最底部高程２３８．０ｍ处厚度为６．５ｍ，中间采用直线连接；下游衬砌板厚度均为０．５ｍ.３．２计算模型１）假定混凝土、基础岩石体均为各向同性线弹性材料.２）有限元计算模型选取拱坝坝体和一定范围的坝基作为计算域.坝基的计算范围为坝体上、下游，左、右岸和深度方向各向外延伸１．５倍坝高.网格划分时，坝体采用精度表较高的空间８节点六面体单元，地基采用空间四面体单元.加固前模型节点总数１９７１５，单元总数５６５７３.加固后模型节点总数２９４６３，单元总数９０１６２，加固前、后的有限元模型见图１和图２.３）边界条件：基础底面施加三向约束；坝基上、下游和左、右侧边界面均施加相应法向链杆约束[5].３．３工况组合与计算荷载工况１：空库；工况２：正常蓄水位；计算模型加上迎水面Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ附加质量，正常蓄水位２７５ｍ，相应下游水位０ｍ.其中：１）水容重γ水＝１０ｋＮ/ｍ3.２）坝体弹性模量E m 石＝４．９２×１０３ＭＰａ，泊松比μ石＝０．２７，容重γ石＝２３ｋＮ/ｍ3；地基弹性模量E m 基＝３７．７×１０３ＭＰａ，泊松比μ基＝０．３.３）上游面板Ｃ２０混凝土，弹模E mc 20＝２８×１０３ＭＰａ，泊松比μc 20＝０．１６７，容重γc 20＝２４ｋＮ/ｍ3.图１加固前有限元模型Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｂｅｆｏｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ图２加固后有限元模型Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌａｆｔｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ%%%%%%%%1082--2011年9月冯涛等：基于ＡＮＳＹＳ的拱坝模态分析%%４）下游面板Ｃ３０混凝土，弹模E mc 30＝30×１０３ＭＰａ，泊松比μc 30＝０．１６７，容重γc 30＝２４ｋＮ/ｍ3.３．４计算结果与分析模态分析研究了上述两个工况下加固前后坝体结构的自振特征，由于高阶振型主要表现为结构局部的振动，且远离当地特征频率，对结构的整体安全威胁不大.为了重点研究低阶频率对结构的整体振动的影响，本文提取出了坝体的前十五阶频率进行对比分析，表１给出了两工况下坝体加固前后自由振动的前十五阶频率和周期值.图３为有水情况下加固前后的频率对比图，重点讨论动水压力对坝体振动特性的影响.表１加固前后坝体频率、周期表Ｔａｂ．１Ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃies ａｎｄｐｅｒｉｏｄs ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ图３工况２加固前后坝体频率图Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃies ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔin ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ２有水工况与无水工况相比，由于坝体受动水压力附加质量增加的影响，导致结构的自振频率变小，振动周期变大.加固前频率的降幅为８．１７％～１２．２１％，一阶频率由３．８０７８Ｈｚ下降为３．４９６７Ｈｚ；加固后的降幅为２．２７％～７．４３％，一阶频率由６．９１８０Ｈｚ下降为６．７６０９Ｈｚ.加固以后坝体的整体刚度矩阵变大，附加质量所起的作用减弱.工况二情况下加固前坝体自由振动的第一阶周期为０．２８６０ｓ，小于特征周期０．３５ｓ.加固后坝体的自由振动第一阶周期为０．１４７９ｓ，自振周期进一步变小，频率变大.根据广义刚度和广义质量求频率的公式可知，结构加固后坝体的刚度显著增大.结构加固后周期值与特征周期的差值进一步扩大，对结构的抗震更为有利.４结论由于流固耦合效应的影响，有水的情况比无水的情况下结构的自振频率降低，对于长岭水库来说最大降阶次工况１工况２加固前加固后加固前加固后频率/Ｈｚ周期/ｓ频率/Ｈｚ周期/ｓ频率/Ｈｚ周期/ｓ频率/Ｈｚ周期/ｓ１３．８０７８０．２６２６６．９１８００．１４４６３．４９６７０．２８６０６．７６０９０．１４７９２４．７０４２０．２１２６８．３７４４０．１１９４４．３１２８０．２３１９８．１４３７０．１２２８３５．９６９５０．１６７５９．６３６００．１０３８５．４６８９０．１８２９９．４１０５０．１０６３４６．７９３６０．１４７２１１．３９３００．０８７８６．３１８７０．１５８３１１．１１６００．０９００５８．１１７８０．１２３２１３．２５９００．０７５４７．４６１３０．１３４０１２．５６０００．０７９６６９．５２３００．１０５０１４．４８３００．０６９０８．８１６８０．１１３４１２．９９５００．０７７０７１０．０７０００．０９９３１５．１７５００．０６５９８．９８２４０．１１１３１４．２１２００．０７０４８１０．５４８００．０９４８１５．６３４００．０６４０９．７３１６０．１０２８１４．６９３００．０６８１９１０．７６６００．０９２９１７．２３１００．０５８０９．９４５００．１００６１５．２５３００．０６５６１０１１．９７７００．０８３５１７．４３１００．０５７４１０．１１１００．０９８９１５．６９８００．０６３７１１１２．４４７００．０８０３１８．３７４００．０５４４１０．８４９００．０９２２１６．７５７００．０５９７１２１３．３１６００．０７５１１９．１３４００．０５２３１１．４４８００．０８７４１７．１６１００．０５８３１３１３．６２９００．０７３４１９．２５６００．０５１９１１．４５５００．０８７３１８．２４８００．０５４８１４１４．０５８００．０７１１２０．４１７００．０４９０１２．０８０００．０８２８１８．７４５００．０５３３１５１４．４９８００．０６９０２０．９０１００．０４７８１２．７２７００．０７８６１９．３４９００．０５１７%%%%%%加固前加固后2520151050频率/H z%123456789101112131415阶次1083--第29卷第9期河南科学幅为１２．２１％，周期变长，所以结构的抗震性能是不能不考虑的重要因素；坝体越单薄，流固耦合效应越明显，对结构抗震不利.加固后坝体的频率显著比加固前增大，根据广义刚度和广义质量求频率的公式，说明坝体的刚度明显增大，抗震性能增强，加固方案是可行的.参考文献：［１］王均星，焦修明，陈炜．龙滩工程底孔弧形闸门的自振特性［Ｊ］．武汉大学学报：工学版，２００８，４１（５）：３１－３４.［２］党国强．拱坝－库水－地基系统地震反应分析研究［Ｄ］．西安：西安理工大学，２００８.［３］汪军，赵金广．大型结构有限元仿真建模及模态分析探究［Ｊ］．山西建筑，２０１０，３６（４）：８０-８１.［４］杨吉新，张可．基于ＡＮＳＹＳ的流固耦合动力分析方法［Ｊ］．船海工程，２００８，３７（６）：８６－８９.［５］孙林松，朱瑞晨．白鹤滩拱坝三维有限元分析［Ｊ］．水电能源科学，２００５，２３（６）：３９－４１．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡＮＳＹＳｔｏＭｏｄａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｒｃｈＤａｍＦeng Ｔａｏ，Ｌi Ｑｉｎｇｌｉa ｎｇ，Ｓun Ｄａｗｅｉ（ＨｅｎａｎＷａｔｅｒａｎｄＰｏｗｅｒＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ.，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｆｒｅｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣｈａｎｇｌｉｎｇａｒｃｈｄａｍare ｓｔｕｄｉｅｄｂｙｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＷｅｓｔｅｒｇａａｒｄｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ，ｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍａｓｓｄｕｅｔｏｆｌｕｉｄ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｔｉｏｎｉｓｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ．ＴｈｅｆｒｅｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｔｈｅＣｈａｎｇｌｉｎｇａｒｃｈｄａｍｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍａｓｓｏｎｔｈｅａｒｃｈｄａｍａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｓｏａｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅａｒｃｈｄａｍ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔａｆｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，ｉｔｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｏｆａｒｃｈｄａｍanti-ｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ.Ｋｅｙw ｏｒｄｓ：ａｒｃｈｄａｍ；ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍａｓs ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ1084--。
基于ANSYS的某溢流双曲拱坝应力分析
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮ ＡＲＣ Ｔ Ｔ Ｅ ＸＩ ＨＩ ＥＣ ＵＲ
Ｖｏ． ．１ １ ３８ Ｎｏ ９
Ｊ１ ２ ２ ｕ． ０１
・２ ９ ・ ４
文 章 编 号 ：０ ９ ６ ２ ２ １ １ — ２ ９ ０ １０ — ８５（０ ２）９ ０ ４ —２
２ 工程 概述
某水 电站拦河大坝 为抛 物线 双 曲拱 坝 ， 顶表 孔溢 洪 道 ， 坝 坝 顶高程 ５ ７ ０ｍ， ０ ． 坝底高程 ４ ７ ０ｉ， １ ． 最大坝 高 ９ 坝顶宽 ５ ｍ， ｎ ０ｍ， 坝底 宽 １ ． 采 用坝 顶溢 流 ， 流段 布置 在坝 中部 ， ７ ５ｍ， 溢 堰顶 高 程 ５０ｍ， 流净 宽 ２ 自由跌落水垫 消能。拱坝 体型如 图 １ 图 ２ ０ 溢 ４ｍ， ，
基 于 Ａ Ｓ Ｓ的 某 溢 流 双 曲 拱 坝 应 力 分 析 ＮＹ
黄德 才 丁泽 霖
（． １ 贵州省黔西南州望谟县水利局 ， 州 望谟 贵 ５２ ０ ５３ ０； ２ 华北水利 水电学 院， 南 郑州 ． 河 ４０１ ） ５ ０ １
摘
要 ： 于三维 有限元计 算软件 Ａ Ｓ Ｓ对 某混凝 土双 曲拱坝 坝体应 力分析 ， 基 ＮＹ 通过分析 得 出， 拱坝最 大位移发生在 坝体 表孔位
收 稿 日期 ：０ ２０ — ３ ２ １ —５ ０ 作 者 简 介 ： 德 才 （９ １ ， ， 程 师 黄 １７ 一） 男 工
．
２ ０・ ５
第３ ８卷 第 １ ９期 ２０ １２ 年 ７ 月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥＣＴＵＲＥ
Ｖｏ ． Ｎｏ． ９ Ｉ３８ １
整体 的应力 变形规律 Ｊ 因此 ， 了保证 高拱坝工程 的稳定 和安 ， 为 全性 ， 有必要针对 高拱坝表孔对坝体应 力变形 的影响 问题进行 研
ANSYS程序在拱坝抗滑稳定分析中的应用
（ 西 荔 浦 县 水 务 局 ， 西 荔 浦 ５ ６ ０ 广 广 ４ ６ ０）
摘 要 ： 文 应 用 Ａ Ｓ Ｓ程 序 ， 用 接 触 单 元 模 拟 断 层 和 软 弱 夹层 ， 某 拱 坝 进 行 了 三 维 有 限 元 抗 滑 稳 定计 算 ， 析 表 明 ， 该 ＮＹ 采 对 分
２ ４ 选 择 接触 算 法 ． 通 常 的接 触算 法 有 ２种 ： 展 的拉 格 朗 日算 法 和 罚 扩 ２ 有 限元模 型 的建 立 ２ １ 岩体 和坝体 砼 的模 拟 ． 考虑该 拱坝 是建 立在 复杂 的岩 体 上 ， 文对 岩 体 和 本 坝体砼 采用 １ ０结 点 四面体 高精 度单 元进 行 模拟 ， 进 在
一
温降 工况 ： 水位 为 正常水 位 ２ ２ ７ ｍ ３ ． 温升 工况 ： 水位 为 校核水 位 ２ ６ １ ３ ．０ ｍ 其 中温 度 荷 载按 垦 务 局 公 式 Ａ ＝４ ／ Ｔ＋３ ３ ９） ｔ ７（ ．３ 计算 。 荷 载组 合 ：
① 自重 ＋ ３ ．０ｍ 水位 ＋温降 ； ２ ２７ ② 自重 ＋ ３ ．０ｍ 水位 ＋温升 。 ２ ６ １
以上 的岩体 为 全 风 化 ， 坝 肩 ２ ５ ０ ｍ 以上 ， 左 ２ ． 坝轴 线 平
行 于等高 线 ， 断层 较 多 ， 且 主要 有 右 岸 Ｆ ３及 左 岸 Ｆ ９和
Ｆ ５ 性 状 极 差 ， 大 坝 抗 滑 稳 定 的 控 制 条 件 ， 此 应 用 １， 是 为
表 ３ 材 料 的 主 要 力 学 参 数
・
３ ・ ５
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２７ 月 ０ 年８ 第４ ０ 期
莫 华：ＮＹ 程 在拱 抗 稳 分 的 用 素 ＡＳＳ 序 坝 滑 定 析中 应
拱坝应力变形及坝肩稳定分析
2018，
14（6）：
1667-1675.
［3］李季，孔庆梅.高混凝土拱坝长期安全运行反馈分析［J］.
水利水电科技进展，2018，38（5）：15-21，47.
［4］孙金昌.浆砌石拱坝应力变形及坝肩抗滑稳定性分析
研究［J］.黑龙江水利科技，2019，47（8）：33-35，120.
及左右岸滑块三维有限元模型见图 1。坝体及基
岩材料参数值如表 1 所示。
2.2 计算荷载及工况组合
根据 SL 282-2003 规范选定：自重+正常蓄水
位及相应的尾水位+设计正常温降+扬压力+泥
沙+浪压力工况为计算工况。正常蓄水状态水库
水位为 1 071 m，下游水位为 989 m；坝体内上游设
有防渗帷幕和主排水幕，帷幕排水正常时取折减
从图 4 中可以看出，各曲线均是上凹型，说明
随着超载系数的增大，水平位移不断增大，但在超
度潜力，进而发现更有可能对坝体稳定构成威胁
的岩体。
载系数 K =3 时，各曲线均出现不同程度的斜率变
2）虽然 3 种计算方法侧重点不同，计算出的
化，可以认为在 K =3 时，位移开始发生突变，坝肩
安全指标所体现出的拱坝抗滑性能也不同，但得
稳定满足设计要求。
到的安全系数数值上相近，结果均可
工程建设与管理
2021 年第 6 期
东北水利水电
［参 考 文 献］
［1］李炳奇，张宇弛，李泽阳，等.基于坝—岩基—水耦合解
解析的坝肩动力稳定分析［J］.水利水电技术，2017，48
（3）：25-29，51.
［2］陈林，潘燕芳，刘小强.叶巴滩高拱坝抗震安全分析与
基于ANSYS的重力坝稳定性有限元分析
关注的问题。随着科学技术和经济的飞速发展，水电事 业也得到大力发展，目前拟建或在建的混凝土重力坝规模越
来越大，大坝的地质条件和稳定性能也变得越来越复杂 。针对这一问题，文中结合地质条件比较复杂的向家坝水电
站，对重力坝的稳定问题进行了系统的研究，得出了一些有价值的成果，可供其他类似工程参考。
关键词：重力坝；ANS YS；有限元法；稳定性分析
1 ）模型计算范围为：上下游方向各取坝高的 2 倍距离作
为左右边界，坝基底面距离坝底 1 .5 倍作为模型下边界。由于
软弱夹层 T2 3
3
、T32
5 及离坝体较远的薄层结构面对坝基整体稳
定性影响较小，为分析简便可以忽略。模型采用四边形等参单
元，共划分单元 4 14 5 个，节点 43 05 个。模型左右边界水平
约束，坝基底部边界竖向约束[6]。模型及材料分区如图 1 所示。
2 ）建模主要步骤如下：
① 定义分析类型、相关变量及材料属性。
② 生成关键点并连线，该模型共设 30 个关键点。
③ 创建截面后执行面网格划分并给面分配单元属性。
④ 模型加载（如图 2 所示）并执行求解。
图 1 右非 1 坝段有限元模型及材料分区图示
摩擦系数 1 .4
0 .35
0.35
1.2 0.99 0.74 0.94 5
凝聚力（MPa） 2 .0
0.1
0.1
1.4 1.0 0.6 1.01
收稿日期：2 01 1-0 2-15 作者简介：张耀屹（1 98 6-），男，重庆南川人，重庆交通大学在读硕士研究生，主要从事水工结构及基础究。
第3期
张耀屹等：基于 ANS YS 的重力坝稳定性有限元分析
（1 ） 模型材料参数与计算工况
第5章ANSYS水利工程应用实例分析
本章首先概述了水利工程ANSYS 应用，其次介绍了ANSYS 重力坝抗震性能分析步骤，最后用实例详细介绍了ANSYS 抗震性能分析过程。
内容 提要 第5章 ANSYS 水利工程应用实例分析本章重点水利工程ANSYS 重力坝抗震性能分析步骤ANSYS 重力坝抗震性能用实例分析本章典型效果图5.1 水利工程概述虽然我国水利资源非常丰富，但河流在地区和时间分配上很不均衡，许多地区在枯水季节容易出现干早，而在洪水季节又往往由于水量过多而形成洪涝灾害。
为了解决这一矛盾，人们修建了许多水利工程来达到防洪、灌溉、发电、供水、航运等目的，促进国民经济建设的发展。
水利工程中各种建筑物按其在水利枢纽中所起的作用，可以分为以下几类:(1)挡水建筑物用以拦截河流，形成水库，如各种坝和水闸以及抵御洪水所用的堤防等。
(2)泄水建筑物用以宣泄水库〔或渠道)在洪水期间或其它情况下的多余水量，以保证坝(或渠道)的安全，如各种溢流坝、溢流道、泄洪隧道和泄洪涵管等。
(3)输水建筑物为灌溉、发电或供水，从水库(或河道)向库外(或下游)输水用的建筑物，如引水隧道、引水涵管、渠道和渡槽等。
(4)取水建筑物是输水建筑物的首部建筑，如为灌溉、发电、供水而建的进水闸、扬水站等。
(5)整治建筑物用以调整水流与河床、河岸的相互作用以及防护水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷，如丁坝、顺坝、导流堤、护底和护岸等。
由于破坏后果的灾难性，大型水利工程建设的首要目标是安全可靠，其次才是经济合理。
所以说研究大坝等水工建筑物的安全分析、评价和监控，是工程技术人员需要解决的课题，正确分析大坝性态已经成为当务之急。
当前对各种水利工程评价主要采用有限元分析方法，借助各种有限元软件对这些水利工程建筑物进行安全评价，其中应用比较广泛的是ANSYS软件。
目前，ANSYS软件在水利工程中主要应用以下几个方面：(1)应用各种坝体工程的设计和施工利用ANSYS软件，模拟各种坝体施工过程以及坝体在使用阶段受到各种载荷（如水位变化对坝体的压力、地震荷载等）下结构的安全性能进行评价，模拟坝体的温度场和应力场，借助模拟结果修改设计或对坝体采取加固措施。
基于ANSYS的土石坝渗流与稳定分析研究的开题报告
基于ANSYS的土石坝渗流与稳定分析研究的开题报告一、研究背景和意义土石坝是一种重要的水利工程结构，其安全稳定性直接关系到人们的生命财产安全和社会经济发展。
而渗流问题是土石坝安全稳定性研究的重要内容之一。
在土石坝工程设计、施工和运行过程中，渗流问题一直是困扰工程师的难题，如何在渗流对土石坝安全稳定性产生影响的情况下，保证土石坝的安全运行是当前亟需解决的问题。
本研究利用ANSYS软件，通过有限元数值模拟方法，研究土石坝内部的渗流分析及土石坝的稳定性分析，旨在探讨土石坝渗流及其对稳定性的影响规律，为土石坝设计、施工和运行提供技术支撑和依据。
二、研究内容和方法本研究的主要内容有两个方面：一是土石坝内部渗流模拟及分析；二是土石坝稳定性分析。
具体通过以下步骤实现：1. 确定研究对象：本研究以某一具体土石坝为研究对象，对其渗流分析及稳定性进行模拟和分析。
2. 建立土石坝模型：根据实际情况建立土石坝三维有限元模型，包括坝体、坝基、边坡等，考虑土、石材料的物理力学特性。
3. 渗流模拟：对建立的土石坝模型进行渗流模拟，通过ANSYS中的多孔介质渗流模型，对土石坝内部流场进行数值计算和分析。
4. 渗流分析：根据渗流模拟结果，分析产生渗流的原因，判断坝体、坝基是否产生渗漏现象，并分析渗漏现象的破坏机理。
5. 稳定性分析：根据建立的土石坝模型，通过ANSYS有限元分析软件对土石坝的稳定性进行数值计算，分析坝体的变形、破坏状况，确定安全系数，预测土石坝的破坏条件。
三、预期成果和意义本研究通过ANSYS软件，对土石坝内部的渗流分析及稳定性分析进行研究，预期取得以下成果：1. 对土石坝内部渗流模拟及分析技术的研究与应用，提高土石坝设计、施工和运行的水平，为工程师在实际工程中提供技术支撑和依据；2. 对土石坝安全稳定性分析方法的探究和应用，为土石坝的安全设计和管理提供科学依据，提高工程的安全性和经济效益；3. 深入了解土石坝渗流及其对稳定性的影响规律，为水工、环境等领域的科研人员提供参考，促进相关学科的发展。
水工工程实例--拱坝整体稳定性分析
拱坝整体稳定分析方法拱坝整体稳定性的关键就在于坝肩的稳定性，坝肩稳定分析十分复杂，一方面是由于拱坝的是一个空间超静定体系，另一方面坝肩的岩体较为复杂，和往往含有各类不连续的结构面。
国内外用以评价拱坝坝与坝肩稳定的方法，总结来看，主要有以下四种：刚体极限平衡法，有限元法、地质力学模型试验方法、可靠度法[ii]。
刚体极限平衡法[i][ii]目前，国内的水利水电工程设计中，刚体极限平衡法是分析拱坝坝肩稳定性的一种常规方法。
通过假定简化多余变量，使超静定问题转化为静定问题来求解，通过计算抗滑力和滑动力之比求出大坝的稳定安全系数，判断计算的对象是不是失稳。
一般采用下述稳定计算公式： 抗剪断公式()f W U c AK P''-+'=(1.3.1) 抗剪强度公式()f W U K P -=(1.3.2) 经过长期的积累，刚体极限平衡法具备了丰富的工程应用经验，在处理简单的工程对象时计算精度较高，通过拟定一些假定也能应用于较为复杂的稳定问题，简单且容易使用[iii][iv]。
但是该方法没有考虑对象所处的岩体发生变形时对上部结构的影响，具有下述的一些局限性[v]，该；一是该方法在一定的基础上，进行了比较大的人为简化，计算过程中所采用假定的合理性直接影响到计算的精度，以及最终的安全系数；二是计算时主要考虑的是岩体的强度，对于岩体的实际应力－应变关系则未考虑，因此不能获得在滑动面内的应力、变形在空间分布特性以及伴随加载的发展过程；三是该方法无法获得对象在临界状态下的变形特性，其所获得的给定滑动面上的安全系数只是一个平均安全系数 [vi]。
有限单元法有限元法用于坝肩稳定性分析始于20世纪60年代，该方法通过建立单元几何、弹性（塑性）、位移、强度以及应力等矩阵，来计算分析对象的受力及变形状况，可以分析整体或局部的稳定安全系数，能够考虑坝基岩体构造的复杂性以及岩体变形对坝体结构的影响[vii][viii]。
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１００２ －５６３４（２０１２）０３ －０００４ －０５
基于ＡＮＳＹＳ的拱坝坝肩及坝基整体稳定分析
丁泽霖１，２王婧１黄德才２
１．华北水利水电学院，河南郑州４５００１１：２贵州省黔西南州望谟县水利局，贵州望谟５５２３００
摘 要：结合拱坝坝肩与坝基的地形、地质特征以及软弱结构面分布状况，通过ＡＮＳＹＳ软件建立拱坝天然地基条件下的三维数值模型，并进行超载法计算，分析坝体变形与应变特征、坝肩和断层的变位分布特征、坝肩的破坏形态和过程，得到整体稳定超载安全系数，评价拱坝的安全度，为工程设计、施工和加固处理提供依据．拱坝；有限元；坝肩稳定
２０１２ －０４ －０５
丁泽霖（ １９８３－），男，满族，辽宁凤城人，讲师，博士，主要从事水工结构工程方面的研究．
万方数据
密或少量
曲泥瞒存情万方数据
万方数据
ｉ梁剖面塑万方数据
＠＠［１］苑宝军，张玉文．加快四川水电建设打造中国水电基地
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ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｌａｗ ｆｏｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｇｅｏｍｅ
ｃｈａｎｉｃｓ［ Ｊ ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃｓ， １９９５，１７ （２） ： １７７
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Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｂｕｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｒｃｈ Ｄａｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ
ＤＩＮＧ Ｚｅ－ｌｉｎＷＡＮＧ ＪｉｎｇＨＵＡＮＧ Ｄｅ－ｃａｉ
万方数据。