拉西瓦拱坝坝基渗流应力耦合分析.pdf

1、水利水电工程专业毕业论文 摘 要 岩体的应力场导致裂隙的几何特性发生变化,从而影响岩体的渗透性,引起渗流场的改变。反过来，渗流场的存在将改变渗透体积力的分布,必将对应力场产生影响。因此，对于水工结构，考虑岩体渗流场与应力场的耦合作用是十分必要的。本文在总结国内外学者研究成果的基础上，结合拉西瓦工程，分析了坝基渗流应力耦合特性，主要内容和研究成果归纳如下:（1）从试验研究、理论模型研究和耦合模型计算方法研究等方面较为深入地总结了岩体渗流应力耦合问题的研究进展。（2）介绍了应力场与渗流场耦合分析的基本原理和方程。（3）编制了 Matlab 与 COMSOL Multiphysics 的链接程序，通

2、过导入控制坐标，建立了拉西瓦拱坝和坝基的三维有限元数值模型。（4）计算分析了不考虑耦合情况下拉西瓦工程在水库正常运行期的渗流场与应力场；确定渗流应力耦合模型的相关参数和边界条件，计算分析了考虑耦合情况下坝体和坝基在水库正常运行期的耦合渗流场和应力场，总结了其变化规律。结果表明上游面渗透水由河道往两岸的逐渐减小，下游面渗透水头由河道往两岸的逐渐增大，总体上由上游到下游呈减小趋势；坝体顺河向位移量值随高程增加，同一高程从拱冠至左、右拱端逐渐减小，坝体左、右半拱顺河向位移具有良好的对称性。（5）分别对比分析了考虑耦合和不考虑耦合情况下渗流场和应力场的计算成果，结果表明在考虑耦合情况下，渗流场等势线偏

3、向下游，下游的渗透坡降明显增大；各位移分量都有不同程度的增加；坝体上游岩体的拉应力增加，坝肩和坝基下游岩体的压应力增加，对坝体的稳定不利。关键词：拉西瓦拱坝；渗流；应力；耦合；COMSOL Multiphysics 水利水电工程专业毕业论文 Abstract The change of the rock stress field will lead to the crack geometry characteristic changing,which affects the permeability and causes the seepage field change.In turn,wil

4、l change the distribution of permeability volume force and influence the stress field.Therefore,It is imperative for Hydraulic Structure to be designed based on the coupling of seepage field and stress field.On the basis of research achievements of domestic and foreign scholars,this paper mainly com

5、bines with the Lashiwa engineering to analyze the coupling characteristics further.The main content and research is summarized as follows:(1)Research progresses of the coupling of seepage field and stress field in rocks are comprehensively summarized from several aspects,such as the experimental res

6、earch,the theoretical model research and the calculation method research of coupling model.(2)The basic principles and equations to analysis coupled seepage and stress fields are obtained.(3)Work out a program which connects the Matlab software with the COMSOL Multiphysics software,through importing

7、 coordinate control point,to establish the 3-D finite element numerical model of the Laxiwa arch dam and its foundation.(4)Considering uncoupled cases,calculate and analyze the seepage field and stress field of the Laxiwa engineering in the reservoir normal operation periods to determine the related

8、 parameters and boundary conditions of the coupling model of seepage and stress.Then,analyze the seepage field and stress field in the reservoir normal operation periods under the coupled situations,with which the distributive regularity of seepage fields and stress fields are summarized.The results

9、 show that in upstream faces hydraulic pressure head reduces from the river to both sides gradually,but in downstream faces that the distribution is the contrary.In general,the hydraulic pressure head reduces from upstream to downstream.The displacement of dam along river direction increases with el

10、evation and decreases gradually from the crown to arch abutment at the same elevation,and it has a good symmetry perpendicular to river direction.(5)The calculation results of seepage field and stress field between uncoupled and coupled situations are compared and analyzed respectively.It shows that

11、 the isopotential lines of seepage field are to downstream,the seepage slope of downstream increases obviously,each displacement component increases at different rates,the tensile stress of the upstream rock increases and the compressive stress of the downstream rock also increases in the coupling c

12、ases,which is bad for the stability of the dam.Keywords:Laxiwa arch dam;seepage;stress;coupling;COMSOL Multiphysics 水利水电工程专业毕业论文 目 录 第一章 绪论.1 1.1 问题的提出.1 1.1.1 工程破坏实例.1 1.1.2 讨论.2 1.2 国内外研究进展.4 1.2.1 试验研究成果.4 1.2.2 理论模型研究成果.8 1.2.3 耦合模型计算方法研究.9 1.2.4 工程应用前景展望.10 1.3 研究内容和方法.11 1.4 技术路线.12 第二章 渗流应力耦合

13、分析数学模型.13 2.1 基本假设.13 2.2 渗流场与应力场耦合分析数学模型.13 2.2.1 应力场的基本方程.13 2.2.2 渗流场的基本方程.16 2.2.3 耦合场的基本方程.17 2.3 COMSOL Multiphysics 软件.18 2.3.1 COMSOL Multiphysics 软件简介.18 2.3.2 算例验证.21 2.4 本章小结.23 第三章 拉西瓦拱坝坝基渗流应力耦合分析.24 3.1 拉西瓦基本资料.24 3.1.1 工程概况.24 3.1.2 地形地貌.25 3.1.3 地层岩性.25 3.1.4 坝址区水文地质条件.26 3.1.5 岩体渗透性.

14、27 3.2 计算模型及计算参数.27 3.2.1 计算模型.27 拉西瓦拱坝坝基渗流应力耦合分析 3.2.2 计算参数.29 3.3 计算模型有限元网格.30 3.4 计算工况.31 3.5 计算成果及成果分析.31 3.5.1 渗流场计算成果及成果分析.31 3.5.2 应力场计算成果及成果分析.38 3.6 本章小结.45 第四章 总结与展望.46 4.1 总结.46 4.2 研究展望.46 参考文献.48 致 谢.51 水利水电工程专业毕业论文 1 第一章 绪论 1.1 问题的提出 随着国民经济建设事业的快速发展，越来越多的水利水电工程、交通、能源、工民建和防护工程等被建筑在岩石地区。

15、天然岩体中存在大量的不连续的地质结构面，如节理、断层、裂隙、岩层层面、片理面等，这些结构面不但大大改变了岩体的力学性质,也严重影响了岩体的渗透特性1。国内外发生的岩土工程事故中，90%以上的岩体边坡破坏和地下水渗透力有关，60%的矿井事故与地下水作用有关，30%40%的水电工程大坝失事是由渗透作用引起的2。此外，隧道开挖、地下核废料存储、油气开发等都涉及到岩体应力、工程干扰力和地下水渗透力的相互作用及其耦合问题。因此，对裂隙岩体的渗流应力耦合分析事关工程建设的成败与安全，对整个工程的可行性、安全性和经济性起到重要的制约作用，并在很大程度上影响着工程的投资及使用效益。目前，我国坝工建设正在向高坝

16、发展，对裂隙岩体的渗流应力耦合特性的研究极其重要。1.1.1 工程破坏实例（1）法国 Malpasset 拱坝溃坝 Malpasset 双曲薄拱坝位于法国南部 Rayran 河上，坝高 66m，于 1954 年末建成并蓄水。12 月 2 日，一场大雨加快了水位的上升速度，21 点 20 分，大坝突然溃决，当时库水位为 100.12m。根据坝下游 1.5km 对这一灾难少数幸存者描述，他们首先感到一阵剧烈颤动，随之听到类似动物吼叫的突发巨响，然后感到强烈的空气波。最终他们看到巨大的水墙顺河谷奔腾，洪水出峡谷后流速仍高达20km/h 左右，同一时间电力供应中断。次日清晨发现大坝已被冲走，仅右岸靠基础部分有残留拱坝，一些坝块被冲到下游 1.5km 处，左岸坝基岩体被冲出深槽（如图 1.1 所示）。下游 12km处 Frejus城镇部分被毁，死亡 421 人，财产损失图 1.1 左岸坝肩，坝基岩体被冲出深槽拉西瓦拱坝坝基渗流应力耦合分析 2 达 300 亿法郎3。Malpasset 拱坝溃坝引起了工程界的广泛重视，因为事故发生在坝工建设方面，尤其是在拱坝建设方面为世界最先进的国家，并且是由最负