ANSYS重力坝课程设计

重力坝三维仿真分析

一、课题背景

一座大坝的建成，往往要耗费一两年甚至更长的时间，并且大坝往往涉及到其下游千万人的生命与财产，因此经济效益和安全可靠是两个十分重要的问题。如何保证结构安全可靠，一是要求结构设计合理，二是要科学地安排施工期。对于这样重要而影响因素复杂的建筑物，采用试验来模拟成本太高、周期太长、难以通过改变试验参数进行设计及优化，而且许多复杂情况无法用试验进行模拟。现在普遍采用的方法是数值模拟技术即计算机仿真，其中以ANSYS有限元分析软件的应用最为普遍。

二、课题分析

1．重力坝的工作原理及特点

重力坝是用浆砌石或混凝土材料修筑而成的挡水建筑物。一般做成上游面近似垂直的三角形断面，主要依靠坝体的重量，在坝体和地基接触而间产生抗剪强度或摩擦力，来抵抗水库的水推力，以达到稳定的要求：同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的坝体上游侧面拉应力，以满足坝身强度的要求。重力坝具有以下几个特点：

在枢纽布置中，重力坝的泄水问题比较容易解决．在重力坝坝体内还容易布置泄水孔或水电站的引水管道等。

重力坝地基承受很大的压力作用，对地基的要求比-殷的土石坝要高，但比拱坝的要求低，量力坝一般修建在岩基上。

重力坝易于通过较低坝块或底孔进行导流，比土石坝施工导流更为简单和安全。

重力坝是大体积混凝土，施工时混凝土的水化发热和散热、硬化收缩．将引起坝体内温度和收缩应力，可能使坝体产生裂缝。

坝体材料和地基在一定程度上都是透水的，埂体和地基内的渗流会产生渗透压力。

坝体内的应力分布一般不均匀，较多部位的压应力通常不是很大，没有充分发挥材料的性能。

2．重力坝的戴荷

作用在重力坝上的载荷主要有以下几种：坝体及其坝上永久设备的自重，上下游坝面上的静水压力，溢流坝反弧段上的动水压力、扬压力、、‘泥沙压力、浪压力、冰压力、地震载荷等。

◆水压力

作用在坝面上的静水压力可按静水力学原理计算，分为水平及垂直两个方向进行；溢流重力坝泄水时，由于动量守恒，泄流面上回产生动水压力。由图8-1可知：

式中，H 1、H 2为上、下游水深；γ 为水的容重；m ，n 为上、下游坝面坡度。泄水时动水压力的计算可参考《水工建筑物》。

◆ 扬压力

混凝土内存在着空隙，坝基岩石本身的空隙率很小，但存在着节理裂缝，这就导致在水库蓄水后，在上、下游水位差的作用下，库水会经过坝体及坝基渗向下游，不但造成库容损失，还会引起渗透压力，使坝体的有效重量减小。

库水经坝基向下游渗透时，渗透水流沿程受到阻力，造成水头损失，如图8-1所示上游坝踵处的扬压力强度为1H γ，下游坝址处的扬压力强度为2H γ。通常假设从坝踵到坝址呈直线变化。途中矩形部分是下游水深H 2形成的上举力，即托浮力：三角形部分是由上下游水位差形成的渗透水流产生的上举力，即渗透压力。坝底扬压力是托浮力与渗透压力之和。

◆ 地震载荷

地震载荷包括由建筑物质量引起的地震惯性力、地震动水压力、动土压力，至于地震对扬压力、浪压力的影响，因其数值较小，常不予考虑。

3．重力坝有限元建模：

由有限元法求解坝体和基岩位移和应力应变响应时，关键是整体刚度矩阵K 。对于一般的水库大坝，其刚度矩阵应该由坝体和基岩等单元刚度矩阵组合而成，即K=K1+K2。

其中K1表示坝体单元的总刚度矩阵，既受坝体自身刚度的影响，又受基硇腑索的影响；

K2表示基岩单元的总刚度矩阵，主要取决于所考虑的范围大小及边界约束条件。数值模拟

计算只能在有限的区域内进行，为了减小计算误差，必须选取合适的计算范圈。

根据圣维南原理，若大坝的基础（含坝基和两侧岩石），越大大，则基础边界约束条件的变化情况对坝体中应力和位移的影响越小。由实际工程研究可知，当坝体的基础尺寸达到一定范围后，坝体的应力和位移几乎不受计算范围的影响。

所以，在进行一般的水坝数值仿真分析时，有必要先完成如下分析：在外部、内部条件一致的条件下，改变大坝基础的尺寸，完成相应的分析，比较分析结果，选择合适的基础尺寸。

三、课题内容

某一混凝土重力坝，断面如图8-2所示，坝高180m ，上游坡面垂直，下坡面系数m=0.75。坝基上游取1.5倍坝高，下游取2倍坝高，坝基深度取2倍坝高，埂顶长1.5倍坝高，坝顶宽0.1倍坝高。上游库容lOOm ，下游水位800。具体材料如下。

(1)大坝：100m 以下混凝土，弹性模量E=2.85e10Pa ，泊松比为v=0.167，密度为2400kg/m3，张开剪切传递系数为0.3，抗拉强度ft=1.96e6Pa,扰压强度ft=22e6Pa ；100m 以上混凝土，弹性模量E=2.6e10Pa ，泊松比为0.167ν=。密度为2400kg/m 3。张开剪切传递系数为0.3，抗拉强度fc=1.2e6Pa ，抗压强度ft=17.5e6Pa 。

(2)基岩：弹性模量E=2.9e10Pa ，泊松比为0.3．密度为2600kg/m 3。

(3)根据水工建筑抗震设计规范，对于重力坝，反应谱代表值为max 2β=，

0.2g T =，其表达式为：

()0.9101,00.12,

0.10.40.2/*2,0.43T T T T T βββ⎧=+<≤⎪⎪

=<≤⎨⎪=<≤⎪⎩

计算的基本假定：

坝体和坝基连续，即坝体与坝基之间紧密联系在一起； 坝基和坝体的材料是均匀的，非线性的； 基岩模型采用线弹性本构模型。

四、建模与后处理

重力坝模型

重力及上游静水压力

下游静水压力

X

Y .116E-09109000218000327000436000545000654000763000872000

X

Y -.116E-0987200174400261600348800436000523200610400