两种库水附加质量模型的重力坝动力响应研究_黄耀英
大型灌区多级渠道与水库群联合输水调控方式研究
大型灌区多级渠道与水库群联合输水调控方式研究目录1. 内容概述 (2)1.1 研究背景 (3)1.2 研究目的 (4)1.3 研究意义 (4)2. 文献综述 (5)2.1 渠道输水技术 (7)2.2 水库群输水技术 (8)2.3 联合输水调控技术 (9)3. 研究方法 (11)3.1 数据来源 (12)3.2 研究对象与范围 (13)3.3 研究内容与步骤 (13)4. 大型灌区多级渠道输水特性分析 (15)4.1 渠道输水系统结构 (16)4.2 渠道输水水力特性 (17)4.3 渠道输水水量调节效应 (18)5. 大型灌区水库群输水特性分析 (19)5.1 水库群结构与规模 (21)5.2 水库群调度策略 (23)5.3 水库群水质保障措施 (24)6. 多级渠道与水库群联合输水调控模式构建 (25)6.1 调控目标与指标体系 (26)6.2 调控方案设计与优化 (27)7. 案例分析 (29)7.1 某大型灌区实例介绍 (31)7.2 多级渠道与水库群联合输水调控效果评估 (31)8. 结果讨论与展望 (33)8.1 结果分析与讨论 (33)8.2 存在问题及改进方向 (35)8.3 研究结论与建议 (36)1. 内容概述本文档将重点探讨大型灌区中多级渠道与水库群的联合输水调控策略，旨在提高水资源利用效率，优化水资源配置，并确保灌溉区域的供水安全。
在概述部分，首先将对大型灌区的背景、水资源管理和输水调控的现状进行简要介绍，以建立研究的理论和实践基础。
随后，本文档将阐述灌区水资源分布的特征，包括水资源的可行性和有效性，以及多级渠道与水库群在灌区中的分布和功能。
这部分内容旨在为后续的研究提供基础数据和地区概况。
在研究内容概述中，将重点介绍本文档的研究目标和研究方法。
研究目标将包括但不限于：开发和验证一种有效的输水调控模型，能够针对大型灌区的多级渠道与水库群进行实时和历史数据的模拟分析。
研究不同的调控策略对灌区供水安全、水资源利用率和能源消耗的影响，并提出优化建议。
两种库水附加质量模型的重力坝动力响应研究_黄耀英
第40卷第7期2009年4月人 民 长 江Y a n g t z e R i v e rV o l .40,N o .7A p r .,2009收稿日期:2008-08-20作者简介:黄耀英,男,三峡大学土木水电学院,讲师,博士。
文章编号:1001-4179(2009)07-0064-03两种库水附加质量模型的重力坝动力响应研究黄耀英 孙大伟 田 斌(三峡大学土木水电学院,湖北宜昌443002)摘要:对两种不可压缩性库水附加质量模型的混凝土重力坝动力响应进行了研究,得到结论:①相对有限元模型计算结果比较,韦斯特伽德模型进行折半处理后计算得到的大坝自振频率较直接使用韦斯特伽德模型计算的精度高;②当水体区域向上游取3倍坝高可以得到比较稳定的自振频率;③由于大坝是弹性体,上游面坝体结点的等效结点荷载不仅受该结点动水附加质量本身的影响,同时受到该结点周边结点的动水附加质量的影响。
关 键 词:库水附加质量;地震响应;混凝土重力坝;抗震分析中图分类号:T V 642.3 文献标识码:A 坝水耦合作用是混凝土大坝抗震分析中的一个重要课题。
自从We s t e r g a a r d 提出垂直刚性坝面的库水动水压力理论以来,这一问题已经历了70多年的深入研究,但仍有比较多的问题不甚清楚。
目前工程上常假定库水为不可压缩流体,此时,库水的动力作用就相当于在大坝系统的质量矩阵中加上一个附加质量矩阵,关于附加质量矩阵的计算,工程上常用的有两种方法[1～7],即按有限元计算的方法和按广义韦斯特伽德公式计算的方法。
陈厚群等[4]通过白山拱坝模型实测以及三向电拟试验求得振型动水压力,得到结论:流固耦合的有限单元数学模型给出的结果与试验结果很符合,而广义韦斯特伽德公式给出的结果偏大,建议对广义韦斯特伽德公式进行折半修正。
李瓒等[5]对二滩拱坝采用有限元模型和韦斯特伽德模型进行动力分析计算的结果也表明韦斯特伽德模型夸大了动水压力的影响。
211189550_重力坝计算与实测坝踵应力差异中扬压力作用研究
２０２３年４月水 利 学 报ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ第５４卷 第４期文章编号：０５５９－９３５０（２０２３）０４－０３８１－１１收稿日期：２０２２－０７－２５；网络首发日期：２０２３－０３－０１网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２２８．１１０３．００１．ｈｔｍｌ基金项目：国家重点研发计划项目（２０２１ＹＦＣ３０９０１０２）；中国长江三峡集团有限公司科研项目（ＳＸＳＮ?４９８３）作者简介：张国新（１９６０－），教授级高级工程师，主要从事水工结构研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｇｘ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ重力坝计算与实测坝踵应力差异中扬压力作用研究张国新１，２，程 恒１，耿 峻３，周秋景１，张海龙３，丁 宇３（１．中国水利水电科学研究院，北京 １０００３８；２．流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；３．中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心，湖北宜昌 ４４３１３４）摘要：坝踵应力是评价重力坝安全的重要指标，按无拉应力准则设计的重力坝采用有限单元法分析时往往出现较大的拉应力，但实际工程中未见观测到拉应力的报道，有的甚至出现较大压应力，同时实测应力变幅往往远小于计算值。
本文统计了国内外２４座重力坝观测结果，分析了坝踵应力蓄水前后变化特点，以一典型重力坝断面为例，采用材料力学法和有限元法对坝踵应力进行计算，对比分析了理论坝踵和实测坝踵应力变化规律，重点研究了扬压力对两个坝踵点应力贡献作用，揭示了计算和观测坝踵应力差异的原因之一。
结果表明：理论上的坝踵应力是坝踵基岩一侧计入扬压力作用的有效应力，实测坝踵应力则是距基础一定距离、坝体混凝土内部的总应力，两者存在一个与扬压力接近的应力差；按无拉应力准则设计的重力坝，坝内测点不会出现拉应力，最小压应力为０．５～１．０倍的上游水头；实测坝踵的有效应力取决于渗流场和孔隙水压力系数（Ｂ系数），该点渗透压力变幅小于上游水头且存在滞后，致使应力变幅明显小于理论坝踵应力变幅；扬压力在理论坝踵和实测坝踵的作用差异是实测与计算坝踵应力差异显著的重要原因之一。
重力坝动力特性测试方法模型试验研究
大坝混凝土内部相对湿度与孔隙水饱和度关系
201917) 作者简介：费大伟 (1995—)，男，安徽合肥人，硕士研究生，主要从事水工程安全监控方面的研究。
E-mail：feidawei951014@ 通信作者： 黄耀英 (E-mail：huangyaoying@)
大坝混凝土是一种贫胶凝材料（胶凝材料为 100~300 kg/m3），工程中为了降低坝体混凝土内部水化热及 节约成本，在配合比设计时常高掺粉煤灰来代替水泥，因此大坝混凝土与结构工程中使用的高性能混凝土 的内部孔隙结构存在较大差异。混凝土大坝长期运行后，坝体上游面会形成稳定渗流场，而由于混凝土的 水分扩散系数比导温系数小（后者为前者的 1 200~1 600 倍），坝体下游面一定深度处的内部相对湿度常年保 持为 100%，那么对于大坝混凝土内部相对湿度与孔隙水饱和度的关系是否也呈现出上述规律，针对这个问 题，本文结合 0.5 水胶比的大坝混凝土，开展混凝土内部相对湿度监测和孔隙水饱和度测试。
越高，蒸发得到的水蒸气越多，绝对湿度就越大；反之绝对湿度越小。
饱和绝对湿度指在一定温度下，单位体积的空气中所能容纳的最大水汽量。如果超过最大水汽量，多
余的水蒸气就会凝结，变成水滴。空气的饱和绝对湿度不是固定不变的，随温度的变化而变化。温度越高，
单位体积空气中能容纳的水蒸气就越多，饱和绝对湿度就越大。
关 键 词：大坝混凝土；相对湿度；孔隙水饱和度；粉煤灰掺量
中图分类号：TV431+.1
文献标志码：A
文章编号：1009-640X(2021)03-0025-06
混凝土的湿度分为混凝土外部环境湿度和混凝土内部微环境湿度，在研究混凝土吸湿-脱湿特性时，常 需要建立相对湿度和孔隙水饱和度之间的吸湿-脱湿关系曲线[1]。目前，关于混凝土外部环境湿度和孔隙水 饱和度的关系，多是表现为环境相对湿度 100% 对应孔隙水饱和度 100%[2-6]。然而，混凝土耐久性能的退化 取决于混凝土的内部微环境，因此需要研究混凝土内部微环境相对湿度和孔隙水饱和度的关系。从已有的 研究来看，混凝土内部环境湿度和孔隙水饱和度的关系并不等同于混凝土外部环境湿度和孔隙水饱和度的 关系，即混凝土内部相对湿度 100% 并不对应孔隙水饱和度 100%。张庆章等[1] 预测了不同温度下相对湿 度、毛细压力与饱和度之间的关系，并给出了水灰比为 0.43 混凝土在 20~80 ℃ 下的排湿曲线，表明孔隙内 部相对湿度 100% 时，混凝土孔隙水饱和度为 50%~100%。Jiang 等[7] 通过试验获得了水胶比 0.48~0.68 的 混凝土在 10~45 ℃ 下孔隙水饱和度与内部相对湿度的关系曲线，可得混凝土内部湿度接近 100% 时，孔隙 水饱和度基本在 80% 左右。鲁彩凤等[8] 通过试验验证了不同强度等级混凝土内部微环境相对温湿度、粉 煤灰掺量与孔隙水饱和度之间的关系，结果表明混凝土内部湿度 100% 时，孔隙水饱和度均未达到 100%， 最低仅为 50%。
基于增量动力分析的混凝土重力坝抗震性能分析
２０１８ 年 １０ 月
水利水运工程学报
ＨＹＤＲＯ⁃ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｎｏ．５ Ｏｃｔ． ２０１８
ＤＯＩ： １０．１６１９８ ／ ｊ．ｃｎｋｉ．１００９⁃６４０Ｘ．２０１８．０５．００７ 陈灯红， 谢京辉， 杨乃鑫． 基于增量动力分析的混凝土重力坝抗震性能分 析 ［ Ｊ］ ． 水 利 水 运 工 程 学 报， ２０１８ （ ５） ： ４８⁃５５． （ ＣＨＥＮ Ｄｅｎｇｈｏｎｇ， ＸＩＥ Ｊｉｎｇｈｕｉ， ＹＡＮＧ Ｎａｉｘｉｎ． Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｇｒａｖｉｔｙ ｄａｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ［ Ｊ］ ． Ｈｙｄｒｏ⁃Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０１８（５） ： ４８⁃５５． （ ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ）
结果评估重力坝抗震性能。 以 Ｋｏｙｎａ 重力坝为例，分别建立以无质量地基法和附加质量法的传统模型和以黏弹 性边界法和流固耦合法建立的坝体－地基－库水相互作用抗震分析模型。 选取 １６ 条地震记录作为输入，选取地 面峰值加速度作为地震强度指标、坝顶相对位移作为结构性能指标，以此为基础作 ＩＤＡ 曲线。 将两种模型分位 分析结果进行对比，结果表明：针对不同保证率的地面峰值加速度（ ＰＧＡ） ，新模型总体安全冗余度高于传统模 型 １０％ ～ ２０％，以传统方法建立的抗震分析模型的计算结果偏于保守，Ｋｏｙｎａ 大坝的极限抗震能力约为 ０������ ４５ｇ， 其功能保障水平约为 ０������ ３４ｇ；ＩＤＡ 方法也将为今后大坝抗震设计提供一种新的思路。
基于增量动力分析的混凝土重力坝抗震性能分析
陈灯红１， ２， 谢京辉１， ２， 杨乃鑫１， ２
重力坝地震动水压力试验
中 图 分 类 号 ：ＴＶ３２＋１；ＴＶ６４２
文 献 标 志 码 ：Ａ
在地震作用 下，上 游 库 水 对 大 坝 坝 面 产 生 很 大的动水压力并对整个坝体的动力响应有很大影 响，考虑大坝—库 水 相 互 作 用 已 成 为 大 坝 地 震 响 应分析中的热点 问 题。 Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ Ｈ Ｍ［１］研 究 了直立刚性坝面 的 地 震 动 水 压 力 问 题，并 提 出 了 不考虑水可压缩性的附加质量模型。由于该模型 简 单 实 用 、易 于 计 算 、结 果 偏 安 全 等 至 今 仍 为 工 程 界所采 纳。 目 前，我 国 《水 工 建 筑 物 抗 震 设 计 规 范》［２］仍采用附 加 质 量 模 型 作 为 重 力 坝 抗 震 设 计 中动水压力 模 拟 方 法。 然 而，坝 体—库 水 的 相 互 作 用 非 常 复 杂 ，以 往 研 究 表 明 此 问 题 与 坝 体 弹 性 、 库水可压缩性、泥 沙 和 地 基 特 性 及 地 基—库 水 相 互 作 用 、库 底 淤 积 沙 层 — 库 水 相 互 作 用 、坝 体 — 地 基相互作用等因素密切相关 。 ［３］ 其中库水的 可 压 缩性对坝 面 动 水 压 力 的 影 响 已 取 得 相 应 研 究 成 果［３～９］，但采用不同方法、提出 不 同 模 型 所 得 结 果 差 别 较 大 ，至 今 尚 无 统 一 的 观 点 。 然 而 ，库 水 可 压 缩性对大坝动力 响 应 及 动 水 压 力 的 影 响 程 度，考 虑水可压缩性加之淤沙层影响的方法实现起来非 常复杂，相关 研 究 还 不 成 熟。 若 要 舍 弃 附 加 质 量 模 型 ，还 需 对 坝 体 — 库 水 相 互 作 用 进 行 深 入 研 究 。 由于数值分析受 多 方 面 限 制，因 此 试 验 手 段 可 作 为有效的补 充。 鉴 此，本 文 对 黄 登 重 力 坝 工 程 挡 水坝段进行了动 水 压 力 地 震 模 型 试 验，研 究 了 坝 体 结 构 的 自 振 频 率 、动 水 压 力 、加 速 度 放 大 倍 数 分
考虑围压效应的高土石坝动力响应分析
Ｖｌ ｏ １ ． ４７ ＮＯ ． ２ Ｆｅ ｂ． ２Ｏ１ ４
考虑 围压效 应 的高土石坝动 力响应分析
曹学兴 １ ， ２ ，何蕴龙 ，熊 垫 ，冯 蕊 ，王 超 ，岑威钧
（ １ ．武汉大学水资源与水 电工程科学 国家重点试验室 ，武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ２ ；２ ． 华能澜沧江水 电有 限公 司，昆明 ６ ５ ０ ２ １ ４ ； ３ ． 长江勘测规划设计研究 院，武汉 ４ ３ ０ ０ １ ０ ；４ ． 天津大学水利工程仿 真与安全 国家重点 实验 室 ，天 ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｏ ｆ Ｈｉ ｇ ｈ Ｒｏ ｃ ｋ ｉｌ ｆ ｌ Ｄａ ｍ Ｃｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｃｏ ｎ ｉｎ ｆ ｉ ｎ ｇ Ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ Ｅｆ ｆｅ ｃ ｔ
Ｃａ ｏＸｕｅ ｘｉ ｎ ｇ 一， ＨｅＹｕ ｎｌ ｏ ｎ ｇ ，Ｘｉ ｏ ｎｇＫｕ ｎ ，Ｆｅ ｎ ｇＲｕ ｉ ， Ｗ ａ ｎ ｇＣｈａ ｏ ４
第４ ７卷 第 ２期 ２ ０ １ ４ 年 ２月
Ｄ０Ｉ ： １ ０ ． １ １ ７ ８ ４ ／ ｔ ｄ ｘ ｂ ｚ ２ ０１ １ ｌ １ ０ ２ ９
天津大学学报 （ 自然科学与工程技术版） Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ）
，
Ｃ ｅ ｎＷｅ ｉ ｊ ｕ ｎ
（ １ ． Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ，
考虑大变形条件下的堤坝动力稳定性研究
／ ｃ ｄ Ｎ ｆ Ａｇ ｆ — （） １
Ｇ 只与围
压有关。 因此可将 临界剪应变用参考剪应变归一化后 ， 表示
１粉砂土液化参数的室内试验
本 研 究 采 用 自动 三 轴 测 试 系统 来 完 成 循 环 三轴 试验 ， 计
固结 应 力 分 别取 为 ５ Ｐ 、０ Ｐ 和 １０Ｋ ａ ０Ｋａ １０ Ｋａ ５ Ｐ。由于 该 粉砂 土 的相 对 密 实度 较 大 ， Ｏ６ ， 围 压较 高 时 孔 隙水 压 力 常 为 ．５ 在 较 难 达 到 围压 ， 而此 时 已 经 因 为 变形 过 大 而 发 生 液 化 。故 当 残 余 应 变 达 到 ５ 时 ， 然 孔 压 还 没 达 到 围 压 ， 认 为 已 经 达 ％ 虽 也
【 关键词 】堤坝 地震 粉砂土 大变形 有限元分析 【 中图分类号 】Ｖ４ Ｔ ６１ ／ 文献标识码 Ｂ
【 文章编号 】 ０４ １０（０００—５８０ １０—０ １２ １）６０７—３
０ 引 言
可 液 化粉 砂 土 地 基 广泛 分 布 在 我 国 东 南 沿海 地 区 ， 地 在
范 围 ２６— ．１０ ８ — １ ８ — ２３ ５ — Ｏ１ ３ ． ０ ８ Ｏ ０ ８ ２ ． ２ ０ ２ １． ２ ７ ６ ８ ２ ． ９ ２ ． １ 一 ． ４ ３ — １ ５ ７
均 值 ２７ ０ ０７ ８ ． ３ ２． １） （ ８２ － ２ ６４ ０６ ．５
第３ ２卷第 ６期
Ｖｏ ＿２ ｌ ３ Ｎｏ ６ ．
建
筑
施
－ ｒ －
Ｂ Ｉ Ｄ Ｎ ０ Ｓ Ｒ Ｃ １ Ｎ Ｕ Ｌ Ｉ Ｇ Ｃ Ｎ Ｔ Ｕ Ｔ０
考 虑 大 变 形 条 件 下 的 堤 坝 动 力 稳 定 性 研 究
三种水质动态预测模型在米山水库的应用与结果对比
2023年11月 灌溉排水学报第42卷 第11期 Nov. 2023 Journal of Irrigation and Drainage No.11 Vol.42140文章编号：1672 - 3317（2023）11 - 0140 - 05三种水质动态预测模型在米山水库的应用与结果对比黄林显1，张明芳2，钱 永3,4*，邢学睿5，邢立亭1，韩 忠6（1.济南大学 水利与环境学院，济南 250022；2.威海市水文中心，山东 威海 264209； 3.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所，石家庄 050061；4.河北省/地调局地下水污染机理与修复重点实验室，石家庄 050061；5.山东正元地质资源勘查有限责任公司，济南 250101；6.山东省第六地质矿产勘查院，山东 威海 264209）摘 要：【目的】分析不同水质预测模型的预测精度，探寻最优的水库水质预测方法。
【方法】分别构建了季节性差分自回归滑动平均模型（SARIMA ）、霍尔特-温特（Holt-Winters ）模型和长短时记忆（LSTM ）神经网络模型，利用米山水库2012—2018年的月平均电导率观测数据对模型进行训练，利用2019年月电导率实测数据对模型进行验证，考察3种预测模型的准确性和稳定性。
【结果】SARIMA 模型和Holt-Winters 模型仅能考察水质数据的时序演化趋势，预测精度较低；相比之下，LSTM 神经网络模型能同时考察水质数据的时序演化趋势及不同时刻之间的前后依赖关系，具有较强的非线性映射能力，预测精度最高。
【结论】LSTM 神经网络预测模型仅在电导率值突变处误差相对较大，但整体预测效果较为理想，因此在水质预测中更加具有推广价值。
关 键 词：时间序列模型；LSTM 模型；电导率；水质预测；米山水库中图分类号：P641.2 文献标志码：A doi ：10.13522/ki.ggps.2022653 OSID ： 黄林显, 张明芳, 钱永, 等. 三种水质动态预测模型在米山水库的应用与结果对比[J]. 灌溉排水学报, 2023, 42(11): 140-144.HUANG Linxian, ZHANG Mingfang, QIAN Yong, et al. Comparison of Three Models for Predicting Water Quality in Mishan Reservoir[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(11): 140-144.0 引 言【研究意义】地表水质预测能够有效揭示水环境的演化趋势，及时评估水体污染状况并制定相应治理措施，对水生态环境保护和水资源管理具有重要意义[1]。
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( 1) 本文计算的 大 坝 自振 频 率与 文 献 [ 3] 计 算 的结 果 相 ( 2) 动水附加质量提 高了大 坝的整 体质量 , 使得 大坝满 库 时的自振频率较空库时小 ; ( 3) 由于韦斯特伽德 模型夸 大了动 水压力作 用 , 由它计 算 出的库水附加质量偏大 , 所以 韦斯特伽 德模型 进行折 半计算 后 得到的大坝自振频率较直接使用韦斯特伽德模型 计算的精度高 ( 相对有限元法计 算结果比较 ); ( 4) 对水体区域范围 进行敏 感性分 析表明 , 当水 体区域 向 上游取 3 倍坝高可以得到比较稳定的自振频率结果。
3. 200 8 . 439 11 . 110 16 . 380 24 . 780 3. 165 8 . 333 10 . 989 16 . 129 25 . 000 2. 732 7 . 246 10 . 870 14 . 930 23 . 260 2. 527 6 . 660 10 . 960 12 . 720 18 . 740 2. 806 7 . 403 11 . 010 14 . 300 21 . 690 2. 710 7 . 227 10 . 980 15 . 060 23 . 780 2. 725 7 . 284 10 . 990 15 . 090 23 . 810 2. 726 7 . 286 10 . 990 15 . 090 23 . 810 2. 726 7 . 286 10 . 990 15 . 090 23 . 810 2. 726 7 . 286 10 . 990 15 . 090 23 . 810
[ 5]
度 ; H i 为包含节点 i的铅 直截面上的水深 ; Z i 为包含 节点 i 的 铅 直截面上从 坝基算起到节点 i的高度 ; yni 为在节点 i 的坝面法向 加速度 ; A i 为与节点 i 有关的辅助面积 ; i 为在节点 i 的坝面 法 线方向的余弦向量 ; [M p i ] 为节点 i 的库水 附加质 量 , 可直接 将 其组合到大坝系统的质量矩阵中。 当采用有限元模型计 算动水 的附加 质量时 , 需要 对水体 进 行有限单元离散 , 此时 , 附加质量矩阵为 : [M p ] = [ S ] T [H ] - 1 [ S ] ( 6) 式中 阵。 为水的 密度 ; [H ] 为动 水压 力劲度 矩 阵 ; [ S ] 为 影响 矩 本文采用振型叠加法或纽马克法 ( N e wM ark) 求解动力控 制
表 1 混凝土重力坝的自振频率比较
工况 阶 1 2 3 次 4 5
式中 [ C ] 、[M ] 和 [K ] 分别为结构阻尼矩阵、 质量矩阵和劲度矩 阵 ; 0 、 1 为系数。 首先求出结构的 工程频率 f 1 和 f 2, 然后 得到相 应的圆 频率 和 , 再结合水工建筑物抗 震设计 规范假 定的阻 尼比 1 和 1 2 例如 : 采用韦斯特伽德模 2, 由式 ( 8 ) 可计算得到系数 0和 1。 型进行柯依那 ( K oyna) 重力坝 满库下 大坝的 地震 响应时 , 本文 计算的
2 2 2 当采用振型叠加 法时 , 则直接按 规范给 定前若 干阶振 型的 阻尼比= 1 , 2 ,
, n )。
2 算例分析
2 . 1 基本资料
印度柯依那 ( K oyna) 重力 坝 [ 3] , 最大坝 高 103 m, 采用 有限 元法对该坝及水体区域进行动 力响应分析 , 材料参数取为 : 动弹 性模量 E = 31. 5 GP a , 容重 = 26. 5 kN /m 3, 各阶振型的阻尼比 均取为 0. 05。按平面应变问题考虑 , 利用 衰减三角 级数叠 加模 型人 工生成 地震波 , 基底 顺河向 均匀输 入地震 波 , 地 震历程 10 s 。由于本文重点不是进行大坝地震破坏分析 , 所以峰值加 速度 调至 0. 1 g , 如图 1 所示。
- 2 力 /M Pa 力 /M Pa s ) 1. 622 3. 144 2. 111 3. 681 - 1 . 741 - 3 . 521 - 2 . 464 - 3 . 829
- 0. 236 - 0. 338 - 0. 228 - 0. 407
- 4. 585 - 6. 636 - 4. 651 - 7. 468
第 40 卷 第 7 期 2 0 0 9年 4 月 文章编号 : 1001- 4179( 2009) 07- 0064- 03
人 民 长 江 Y angtze R iver
V o.l 40 , No . 7 A pr . , 2009
两种库水附加质量模型的重力坝动力响应研究
黄耀英 孙大伟 田 斌
( 三峡大学 土木水电学院 , 湖北 宜昌 443002) 摘要 : 对两种不可压 缩性库水附加质量模型的混凝土重力坝动力响应进行了研究 , 得到结论 : 相对有 限元模 型计算结果比较 , 韦 斯特伽德模型进行折半处理后计算得到的 大坝自振 频率较直接 使用韦斯特 伽德模型 计算 的精度高 ; 当水体区域向上游取 3 倍坝高可以得到比较稳定的自振频率 ; 由于大坝是弹性体 , 上游面坝体 结点的等效结点荷载不仅受该结点动水附加质量本身 的影响 , 同时受到 该结点周边 结点的动水 附加质量 的影 响。 关 键 词 : 库水附 加质量 ; 地震响应 ; 混凝土重力坝 ; 抗震分析 文献标识码 : A 在大坝系统的质量矩阵中加上一个附加 质量矩阵 [M p ] , 此时 , 有限元动力控制方程为 : [M * ] { y } + [ C ] { y } + [K ] { y } = - [M * ] { yg } ( 1) 式中 { y }、{ y }、{ y } 分别为相对位移、 速度 和加速度 ; { yg } 为 地 面加速度 ; [M * ] = [M ] + [M p ] ; [M ] 、[K ] 、 [ C ] 分别为整体质 量矩阵、 劲度矩阵和阻尼矩阵 ; [M p ] 为附加质量矩阵。 关于附加质量矩阵的计算 , 工程上常用的有两种方法 , 即 按 有限元模型计算的方法和 按广义 韦斯特 伽德模 型计算 的方法。 当采用广义韦斯特伽德模 型计算 动水压 力时 , 作用在 上游坝 面 上的动水压力及附加质量矩阵为 : P i = i yni 7 H i (H i - Z i ) i = 8 [M p i ] = iA i ( i )T i [M p ] = [M p i ] 式中 P i 为上游坝面的 动水 压力 , 以压 为正 ; ( 2) ( 3) ( 4) ( 5) 为库 水的 质量 密
河向速度 / 河向 速度 / 向加速度 / 向加 速度 / 直向应 - 1 s ) (m 0 . 231 0 . 369 0 . 220 0 . 401 - 1 s ) (m - 2 s ) (m 4 . 904 5 . 952 4 . 196 7 . 582
位 移 /c m 位移 / cm ( m 空库 韦氏 模型满库 韦氏 模型折半 满库 有限 元模型满 库 1. 181 2. 201 1. 601 2. 609 - 1 . 013 - 2 . 193 - 1 . 343 - 2 . 499
1 基本原理
当大坝受到地震运动激励 时 , 坝基随着地震产生刚性位移 , 同时大坝还 发 生弹 性 位移 , 因而 产 生 库水 对 坝体 的 动 水压 力 ( 包括刚体位移加速度和弹性位移加 速度产生 的动水压 力 ), 而 动水压力又影响着坝的弹性位 移加速度 , 所以它们相互影响着 , 这就需要把坝体和水 体作为一个整体进行动力反应分析。 当假设库水为不 可压缩流 体时 , 库水的 动力作 用就相 当于 收稿日期 : 2008- 08- 20 作者简介 : 黄耀英 , 男 , 三峡大学土木水电学院 , 讲师 , 博士 。
中图分类号 : TV 642 . 3
坝水耦合作用是混 凝土大 坝抗震 分析中 的一个 重要课题。 自从 W estergaard 提出垂直刚性坝面的 库水动水压 力理论以来 , 这一问题已经历了 70 多年的深入研究 , 但仍有比较多的问 题不 甚清楚。目前工程上常假定库 水为不可压缩流体 , 此时 , 库水的 动力作用就相当于在 大坝系统的质量矩阵中加上一个附加质量 矩阵 , 关 于 附 加 质 量 矩 阵 的 计 算 , 工 程 上 常 用 的 有 两 种 方 法 [ 1~ 7] , 即按有限元计算 的方法 和按广 义韦斯特 伽德 公式 计算 的方法。陈厚群等 [ 4] 通过 白山 拱坝 模型 实测 以及 三向 电拟 试 验求得振型动水压力 , 得到结论 : 流固耦 合的有限单元数学模型 给出的结果与试验结 果很符合 , 而广 义韦斯 特伽德 公式给 出的 结果偏大 , 建议 对 广义 韦 斯 特伽 德 公式 进 行折 半 修 正。李 瓒 等 对二滩拱坝采 用有限 元模 型和 韦斯 特伽 德模 型进 行动 力 分析计算的结果 也表 明韦 斯特 伽德 模型 夸大 了动 水压 力的 影 响。李瓒等 [ 5] 认为应取 3 倍以上坝 高的水库 域。文献 [ 6, 7] 采 用有限元模型计算动 水附加质 量时 , 对上游 水体取 3 倍坝 高进 行有限单元离散。但对比分析上述两种 计算方法对大坝自振频 率的影响以及对大坝 地震响应 的影响 , 有关 文献报 导的仍 显不 足。因此 , 本文对上述两种 不可压缩 性库水 附加质 量模型 的混 凝土重力坝动力响应 进行研究。
由表 2 数据可见 : ( 1) 由于库水附加质 量的影 响 , 大 坝满库 的地震 响应较 空 库时大 ; 例如 : 空库时计算的坝顶 最大顺河 向位移 为 1. 181 c m, 韦斯特伽德模型满库计算的坝 顶最大顺河 向位移 为 2. 201 c m, 增大 86% , 有限元模型满库计 算的坝 顶最 大顺河 向位 移 2. 609 cm, 增大 121 %。 ( 2) 韦斯特伽德模型满库的地震响应较韦斯 特伽德模型折 半满 库时大 ; 例 如 : 韦斯特 伽德 模型 满库计 算的 坝颈最 大拉 应 力为 3 . 144 M Pa , 折 半 满 库 计 算 的 坝 颈 最大 拉 应 力 为 2. 111 MPa 。 ( 3) 有限元模型满库的地震响应较韦斯特伽 德模型满库时 大 , 原因为韦斯 特伽德模型的 库水附加 质量是 假设大 坝为刚 性 获得的 , 而实际 大坝是弹性体 , 上游面坝体结点的等效结点荷 载 不仅受该结点库水附加质 量本身 的影响 , 同时 受到该 结点周 边 结点的库水附加质量的影响。