考虑材料参数空间变异性的面板堆石坝非侵入式随机有限元方法研究

发布时间：2020-06-11 23:48

【摘要】：混凝土面板堆石坝已成为当前高坝大库的首选坝型。在世界各国水力水电资源开发进程中发挥了重要作用,国内外许多专家学者都肯定了其良好的发展前景,发展至今,无论在数量和高度上都明显增加,目前正向300m级高度发展。而面板堆石坝主要工程问题是坝体应力应变过大以及应力应变过大带来面板、接缝止水结构的破损,从而带来渗漏量过大,甚至渗透或冲蚀破坏的问题,影响面板和坝体的正常运行;除此之外,可靠度计算与随机有限元的结合在坝坡和坝体可靠度中的应用,是目前坝体和坝坡可靠度理论发展的趋势。因此,本文通过考虑材料参数的空间变异性,将随机有限元方法(SFEM)引入面板堆石坝应力应变计算,建立了基于MSC.Marc二次开发的面板堆石坝非侵入式随机有限元方法(NSFEM);为了更加科学全面地评估面板堆石坝的安全性态,将随机场理论与可靠度方法相结合,开发了基于随机有限元应力应变计算值的坝体点可靠度及抗剪破坏概率计算方法,并开发了基于Geostudio的坝坡稳定随机可靠度计算方法。主要研究内容和成果如下:(1)进行基于MSC.Marc二次开发的混凝土面板堆石坝NSFEM方法开发首先,基于MSC.Marc进行堆石料E-B本构模型的二次开发,并结合有限元分析结果以验证二次开发的正确性;其次,在此基础上进行材料参数的随机场模拟,并进行“非侵入式”的开发;最后,将所开发方法应用到工程实例中,分析比较考虑材料参数空间变异性前后的面板堆石坝应力应变规律的异同。(2)研究材料参数变异系数对坝体沉降值的影响规律本文结合公伯峡混凝土面板堆石坝的沉降监测数据,研究了表征堆石料参数空间变异性特征的变异系数对堆石坝沉降值的影响规律。(3)基于随机有限元应力应变计算结果的点可靠度计算堆石坝应力水平是指实际所受应力与邓肯非线性强度包络线计算所得破坏强度的比值。一般认为,应力水平大于1时,坝体出现剪切破坏。本文以应力水平大于1为“破坏”,应力水平小于1为“安全”,进行了坝体各单元剪切破坏概率的计算。(4)进行基于Geostudio的坝坡稳定随机可靠度方法的开发将随机场模拟方法与Geostudio的SLOPE模块相结合。计算考虑材料参数空:间变异性的坝坡安全系数K,并认为Kl为“破坏”,K1为“安全”,采用基于Latin超立方抽样的Monte Carlo法计算可靠度指标与坝坡滑动破坏概率。(5)研究材料参数变异系数对安全系数,以及可靠度指标的影响规律在保持其他分区其他材料参数的取值以及随机场特征值不变的前提下,通过改变某一个分区某一个材料参数的变异系数,得到相应的材料参数变异系数对安全系数与可靠度指标的影响规律。本论文研究取得的相关成果,可以更加准确地得到堆石坝应力应变值、坝体及坝坡破坏概率与可靠度指标,以及采用本文所得变异系数—坝体响应值关系曲线,通过安全的坝体响应值确定堆石料的材料参数变异系数,从而对指导工程选材、坝体填筑、运行维护等具有一定的参考价值。
【图文】：

二次开发,文件,片段,软件

初始材料数模块参数赋值模块E-B本构模型开发模块计算步定义模块自定义输出模块有限元迭代计算模块后处理对生成的.t16文件进行处理，绘制最大主应力，最小主应力，水平位移，竖直位移等响应值的云图-B本构模个参数值通过单元序号对号入座计算Et,Bt,Dt,形成应力-应变矩阵分步填筑,分步施加水荷载图 2-1 基于 MSC.Marc 的子程序二次开发框架图Fig.2-1 Frame diagram of subroutine secondary development based on MSC.Marc

文件,片段,敏感性分析

图 2-3 计算文件（.dat 文件）片段Fig.2-3 Calculation file (.dat file) fragment2.2 Morris 法敏感性分析2.2.1 Morris 法敏感性分析原理Morris 法是一种效率高、准确性好的全局敏感性分析方法[72]。具体原理是：在保持其他参数不变的前提下，选取某一个材料参数ix ，确定其固定变化步长 C 以及变化幅度 M计算公式如下： 111100ni i iii iY Y YS nP P （2-16）式中，S 为参数ix 的敏感性指数；iY 与i+1Y 分别为参数第 i 次和第 i +1次变化后的输出值；iP 与i+1P 分别为参数第次和第次变化后的值相对于初始值的百分率，，单位为%；n为变化次数。采用 Morris 法的敏感性指数分级见下表 2-1。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV641.4

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