[发明专利]基于有限元直接内力法的加高重力坝混凝土分载计算方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元直接内力法的加高重力坝混凝土分载计算方法，通过将加高重力坝简化为包括原坝体、加高坝体和基础的坝体模型，并求解坝体模型的位移场，将位移场与坝体刚度、坝体所受合力结合得到总体方程，然后分别对原坝体和加高坝体作单独分析，得到分别作用在原坝体和加高坝体上的作用力，进而得到原坝体和加高坝体各自的力学响应特性，从而得到原坝体和加高坝体在加高坝体荷载作用下的安全特性。本发明能够解决现有技术中有限元法无法对加高重力坝的安全性进行有效评价的问题，结果稳定、计算量小、评估准确。

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域，具体涉及一种基于有限元直接内力法的加 高重力坝混凝土分载计算方法。

背景技术

城镇发展需要水资源，已有水库的水量逐渐难以满足需求，将已有的水库 改造，大坝加高增大水库容量是一种选择。国际国内已有大量的通过大坝加高 增大水库库容的例子，加高的坝型之一即是混凝土重力坝。重力坝加高的主要 形式是加高培厚，即在老坝的上部用混凝土加高，在老坝的下游用混凝土培厚 增大坝体体积，以提高大坝抵抗水压的能力。

在设计加高重力坝时，加高后的重力坝的抗水压能力和抗滑能力非常重要。 如图1，其中阴影部分为新的加高培厚混凝土，原坝高H₀，加高后的坝高为H₁， 原水库运行水位为h₀，加高后的运行水位为h₁，由于在一个老坝上浇筑混凝土， 新老混凝土结合面弱，加上新老混凝土受到的温度荷载作用不均匀等影响，新 老混凝土结合面往往结合不好，产生脱离现象。

实践证明新老混凝土结合面的脱开比例有时高达70％以上，这种结合面的 脱开会影响到老坝—新坝体之间的传力，从而削弱其抗水压能力和抗滑能力， 使坝体的整体安全性能降低。

另外，大坝加高培厚施工时水库不能放空，加高时的水位引起的水压荷载 只能由老坝单独承担，由于这两个原因，加高后的重力坝的受力与一次建设完 成的重力坝的受力有很大区别，传统坝体抗水压能力和抗滑能力的计算评价方 法无法适用。

有限单元法可以模拟复杂问题，可以得到高精度的应力场位移场，对于大 坝加高的模拟能很好地模拟新老结合面部分粘接条件下的新老坝联合受力和分 载状态，但是有限元存在应力结果的网格相关性问题，尤其是比较关心的坝踵 应力，随网格密度的增大应力不断增大，使得有限元应力结果难以与应力控制 标准匹配。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中有限 元法无法对加高重力坝的安全性进行有效评价的问题的基于有限元直接内力法 的加高重力坝混凝土分载计算方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种基于有限元直接内力法的加高重力坝新老混凝土分载计算方 法，其包括如下步骤：

包括如下步骤：

S1、获取加高重力坝的物理数据和加高重力坝所在环境的物理数据；

S2、根据原坝体的物理数据及所在环境的物理数据，对原坝体作受力分析；

S3、根据加高重力坝的物理数据及所在环境的物理数据，建立加高重力坝 模型，计算原坝体和加高坝体的载荷分配；

S4、根据原坝体和加高坝体的载荷分配，计算原坝体、加高坝体和加高重 力坝的安全系数；

S5、将加高重力坝的局部、整体安全系数与目标值对比，判断加高重力坝 的安全性能是否满足需求。

进一步地，加高重力坝的物理数据包括原坝体和加高坝体的几何数据、自 重G和弹性模量E、摩擦角加高重力坝所在环境的物理数据包括水压载荷P、 原坝体和加高坝体间的温度变化ΔT。

进一步地，建立加高重力坝模型的方法为：