水利枢纽有限元分析毕业设计 - 图文

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第一部分

计

说

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书设 明

1 兴旺沟水利枢纽工程基本资料

1.1 流域概况

乐昌峡水利枢纽位于韶关市乐昌境内、北江支流武江乐昌峡河段内，坝址位于兴旺沟火车站附近，下距乐昌市约14km，韶关市81.4km，坝址以上集水面积4988km。

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武江是北江流域的一级支流。发源于湖南省临武县三峰岭，流经湖南省的临武县、宜章县、郴县、桂阳、汝城等五县，于乐昌市老坪石上游约3km流入广东省的乐昌市，经乳源、曲江，与浈江在韶关市沙洲尾汇合注入北江。武江全河长260km，流域面积7097km。 1.2 水文 1.2.1 气象

武江流域位于五岭山脉以南，属东亚季风气候区。冬半年受东北季风控制，气候寒冷略干燥，夏半年受西南和东南季风控制，气候炎热多雨。本流域具有山地气候特征。大暴雨发生的频率前汛期（4～6月）占67%～69%，后汛期（7～9月）占31%～33%。

根据乐昌市气象站1959年～2004年资料统计，主要气象特性如下：

气温：多年平均气温19.5℃，极端最高气温41.0℃（2003年7月23日），极端最低气温-4.6℃（1967年1月17日）。

降雨量：多年平均降雨量1488mm，最大日降雨量220 mm（1973年6月28日）。 湿度：多年平均相对湿度80％，最大月平均相对湿度90％（1975年5月）。

风向、风速：多年平均最大风速14.8m/s，最大风速22m/s（1970年8月11日），最多风向为NNW。

蒸发量：多年平均蒸发量1039mm。 1.2.2 水文基本资料

根据工程位置、任务、流域地区洪水组成及已有的水文站点和资料，确定武江的坪石（二）、犁市水文站，浈江的长坝（浈湾）水文站和北江的韶关水位站四站为设计基本站。资料系列均至2006年。 1.2.3 洪水

根据北江上游洪水组成特点，乐昌峡水库设计洪水考虑甲、乙两种洪水组成。

甲种洪水：韶关与乐昌峡水库同频率，乐昌峡～韶关～湾头区间相应，以武水为主的洪水组成。

乙种洪水：韶关与乐昌峡～韶关～湾头区间同频率乐昌峡水库相应，以浈水为主的洪水组成。

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乐昌峡水利枢纽兴旺沟坝址采用以武水为主的甲种洪水组成时还同时考虑乐昌峡坝址～乐昌市小区间的甲、乙两种洪水组成。

典型年选择：

甲种洪水：1994年6月（全流域大水）、2006年7月（武江大水）。 乙种洪水：1976年6月（浈江大水）。 1.2.4 泥沙

犁市站多年平均含沙量为0.173kg/m，多年平均侵蚀模数为177.47t/km，经计算坝址多年平均输沙量为 90.34万t。

1.3 坝基岩石及沙砾石的物理学性质资料 1.3.1 坝基岩石及砂砾石的物理力学性质

1、泊松比 0.2 2、摩擦系数 0.65 3、抗剪强度系数 1.0 4、地基重度2700N/m3 1.3.2 淤沙的力学指标

1、淤沙高度23m 2、内摩擦角18° 3、浮容重9.5kN/m3 1.3.3 水库特性表

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（1）、水库水位

1）正常蓄水位 154.50m

2）设计洪水位（P=1%） 158.42m 3）校核洪水位(P=0.1%) 159.18m 4) 汛期运行水位 144.50m 5）极限死水位 139.50m （2）、电站下游尾水位

1）设计洪水位 116.58m 2）校核洪水位 117.30m 3）正常尾水位 113.87m 4）最低计算尾水位 112.00m

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（3）、溢洪道下游水位

1）设计洪水位 113.87m 2）校核洪水位 116.62m

2 重力坝的工作原理、特点及其荷载

2.1 重力坝的工作原理

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，在坝体和地基接触面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的拉应力，以满足坝身强度的要求。为了适应地基变形、温度变化和混凝土的浇筑能力，沿坝轴线用横缝将坝体分隔成若干个独立工作的坝段。 2.2 重力坝的特点

（1）结构作用明确，设计方法简单，安全可靠。

（2）重力坝对地形、地质条件适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝，因为坝体作用于地基面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较拱坝低，甚至在土基上也可以修建高度不大的重力坝。

（3）枢纽泄洪问题容易解决。重力坝可以做成溢流的，也可以在坝身不同高度设置泄水孔，一般不需另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。

（4）便于施工导流。在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另设导流隧洞。

（5）施工方便。大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑方面都比较简单，并且补强、修复、维护或扩建也比较方便。

（6）重力坝是大体积混凝土建筑物，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。因此，在浇筑混凝土时，需要有严格的温度控制措施。 2.3 作用在重力坝上的荷载

作用在重力坝上的荷载主要有：坝体及坝基上永久设备的自重，上下游坝面上的静水压力，扬压力、泥沙压力、及地震荷载等。 2.4 重力坝有限元建模

有限元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表示坝体单元的总体刚度矩阵，既受坝体自身刚度的影响，又受基础约束的影响；K2表示基岩单元的总刚度，

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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围。

在实际建模过程中，建议地基选取的范围以2倍的坝高为宜，根据坝体剖面尺寸不一，也可以适当调整范围，由实际情况而定。 2.5 重力坝建模参数

1．坝体：混凝土的弹性模量E=2.4E10Pa，密度为2400Kg/m，泊松比为ｖ=0.167，抗拉强度Fc=1.96E6Pa

2．岩基：弹性模量E=2.7E10Pa，密度为2700Kg/m，泊松比为ｖ=0.2。 2.6 设计的主要内容及内容

1、确定枢纽布置方案，绘出上游或下游立视图。 2、主要建筑物设计

（1）当水坝坝段设计：确定当水坝的实用剖面及轮廓尺寸，并进行稳定、应力分析。绘

出最大坝高处当水坝横剖面图。

（2）底孔坝坝段设计：确定底孔坝的基本剖面及轮廓尺寸，进行稳定、应力计算。绘出

最大坝高处底孔坝横剖面图。

3、 坝体细部构造设计：包括坝体混凝土分区、分缝廊道系统及坝身排水系统的设计。

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3 坝型选择与枢纽布置

3.1 坝型选择

拟定三种方案：分别选择土石坝、混凝土重力坝、拱坝三种类型进行比较。

表4-1三种坝型比较表

类型 条件 坝址附近要有土石料场 筑坝材料 场 对地形适应性强 地形条件 场 坝址附近要有砂石，砾料坝址附近要有砂石，砾料土石坝 混凝土重力坝 拱坝 对地形，地质条件适应性拱坝的理想地形是左右两强。 岸对称，岸坡平顺无突变 6

对地基地质条件要求较低 对地基要求较低 地质条件 坝基处的岩基要求坚硬，完整，质地均匀，稳定 气候条件 适应各种不同气候 对外界气候条件的适应性好 温度变化对坝体应力影响显著 枢纽泄洪问题容易解决 泄洪建筑物应具有足够的泄洪能力，坝体在洪水位泄洪要求 以上要有足够的安全超高，以防洪水满顶，造成坝的失事。 抗震要求 抗震性好 枢纽泄洪问题容易解决。 抗震性好 抗震性不好 根据基本资料显示，坝址下游有足量的混凝土用砂，石料场，砾石料场储量丰富。武江水量丰富，水质矿化度较低，一般对混凝土不具有侵蚀作用，唯河水含泥沙量较大，需进行沉淀处理，且洪水流量大。故本枢纽要求泄洪能力强.而修混凝土重力坝的优点是对地形、地质条件适应性强,对地形和地质条件要求较拱坝低;枢纽泄洪问题容易解决,重力坝可以做成溢流的,也可在坝内设不同高程泄水孔,不需另设溢洪道或泄水隧洞,枢纽布置紧凑;便于施工导流;重力坝剖面尺寸大,因而抵抗洪水漫顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都比土石坝强;施工方便;结构作用明确,重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段,各坝段独立工作,稳定和应力计算都比其他坝型简单.该枢纽的地形、地质和气象条件等资料都显示,适于修混凝土重力坝.

拱坝:由于拱坝剖面较薄,坝体几何形状复杂,对于筑坝材料强度,抗渗性和施工质量等要求都比重力坝严格.地形条件是决定拱坝结构形式,工程布置的主要因素.因其理想地形是狭窄河谷,与本枢纽地形不符,故本枢纽不宜修拱坝.

土石坝:在洪水流量较大的河流上,土石坝工程的导流,泄洪问题比混凝土坝难以解决.再根据该枢纽资料内容,坝址地质条件较好,建混凝土坝具有较大优越性,故本枢纽也不适合修土石坝.

综上选择该水利枢纽为混凝土实体重力坝较为合理。 3.2 枢纽布置

根据坝址坝型比较选择意见，结合地形、地质条件，针对选定的重力坝坝型拟定下列可能的枢纽组合方案，进行分析比较。

1右岸至左岸依次为挡水坝段、厂房坝段、溢流坝段、挡水坝段

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2右岸至左岸依次为溢流坝段、厂房坝段、挡水坝段 3右岸至左岸依次为挡水坝段、溢流坝段、厂房坝段

通过上述枢纽方案各建筑物的布置设计、分析比较，将各枢纽方案特点分述如下： 方案1：布置合理，溢流坝段泄流的尾水直接进入河道，消能容易解决。 方案2：右岸布置溢流坝段尾水不宜处理，需要额外修建尾水渠段增加投资。 方案3：左岸直接布置厂房，左岸岸坡需要开挖较多，增加了投资。

由此可见，各枢纽方案建筑工程总投资排列顺序为方案(1)＞方案(2)＞方案(3)，综合考虑地形地质、水文、施工、运行管理等条件，选择方案⑴，即布置从右岸依次为83.1m的挡水坝段，52.5m的挡厂房坝段，75m的溢流坝段，最左岸为163.5m的挡水坝段。

4 有限元分析方法与ANSYS简介

4.1 有限元ANSYS简介

有限元法（Finite Element Method/FEM）又称有限单元法或有限元素法，是结构分析的一种数值法，自从1960年柯劳夫（R.W.clough）提出“有限元法”的名称以来，有限元法的研究工作蓬勃发展，在工程领域中作用日益增强，已成为分析连续体力学问题最新颖和最有效的工具。有限元法的实质就是把具有无限个自由度的连续体，理想化为只有有限个自由度的一组有限个且按一定方式联结在一起的组合域。各单元之间彼此相连接的点称为节点，从研究有限单元的力学特性着手，最后得到一组以节点位移作为未知量的矩阵形式表达的方程，求解出这些未知量，就可以得到整个求解域上的近似解。有限元法采用矩阵表达形式，便于编制计算机程序，以求解大型线性方程组。利用计算机的便利大大提高了计算速度，使许多复杂的工程问题迎刃而解。

4.2 有限元ANSYS分析过程

ANSYS有限元求解问题的基本过程主要包括：前置处理、有限元求解、后置处理三部分。介绍如下： （1） 前置处理：

建立有限元模型所需要输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次序、材料特性等。之后将建好的模型划分网格，是使整个模型系统离散为有限个单元。 （2） 有限元求解

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通过对模型外部作用力的加载，利用能量最低原理和函数值定理换成一组线性联立方程组，如元素刚度矩阵计算[K]、系统外力向量的组合{F}、线形代数方程[K]×{U}={F}等，使每组作用力都转换在作用在单元体上的荷载，然后进行计算处理。 （3） 后置处理

将解题部分所得的解答如：变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来

5 坝体的设计及有限元分析计算

5.1 挡水坝段设计 5.1.1 轮廓尺寸确定

设计时考虑各影响因素：荷载、地基、运用、材料、施工条件等影响，拟定几个方案比较，选出最优方案。重力坝承受的主要荷载是水压力和自重，控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度。因此作用于上游面的水压力及基础扬压力呈三角形分布，所以重力坝的基本剖面是三角形。 坝体高度为81米，坝顶宽度一般取坝高的8%~10%，考虑交通要求,经过综合分析,坝顶宽度取8米。上游坝坡坡率n=0，坝底宽为64.8米。符合上游边坡:1:0～1:0.2;下游边坡:1:0.6～1:0.80所允许的范围. 5.1.2 廊道系统的设计

帷幕灌浆需要在坝体浇筑到一定高度后进行，以便利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量。为此，需要在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1倍作用水头、且不小于4～5m处设置灌浆廊道。廊道断面多为城门洞形，宽度和高度应能满足灌浆作业的要求，一般宽为2.5～3m，高位3～4m，地面距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度。本设计廊道距上游面5.0m，距坝基4.5m，廊道宽3m，高3.5m均满足要求。 5.2 挡水坝段空间有限元分析 5.2.1 有限元建模基本剖面

混凝土重力坝建模的基本参数

（1）大坝：弹性模量E=2.4e10Pa，泊松比为?=0.167，密度为2400kg/m，抗拉强度为

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ft=1.96e6Pa，抗压强度fc=10e6Pa。

（2）基岩：弹性模量E=2.7e10Pa，泊松比为?=0.2，密度为2700kg/m

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图5-1 挡水坝平面轮廓

5.2.2 基本组合坝体荷载图、变形图，应力图

图5-2 基本组合坝体加载图 挡水坝最大荷载为884559pa。

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图5-3 基本组合坝体变形图

坝体最大位移为0.019727m。

图5-4 基本组合坝体第一主应力分析图

坝踵处出现拉应力，拉应力最大值为0.689453MPa，拉应力区深度为2.7m，不超过廊道中心线，满足规定要求。

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图5-5 基本组合坝体第三主应力分析图

在坝址处出现最大压应力，最大应力值为4.7 MPa，小于混凝土抗压强度值9.6 MPa，满足强度要求。

5.2.3 特殊组合（一）坝体荷载图、变形图、应力图

图5-6 特殊组合（一）加载图

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图5-7 特殊组合（一）变形图

坝体最大位移为0.019841m。

图5-8 特殊组合（一）坝体第一主应力分析图

在坝踵处出现拉应力，拉应力最大值为0.716MPa，拉应力区深度为2.46m，不超过廊道中心线，满足规定要求。

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图5-9 特殊组合（一）坝体第三主应力分析图

在坝址处出现最大压应力，最大应力值为4.63MPa，小于混凝土抗压强度值9.6 MPa，满足强度要求。

5.2.4特殊组合（二）坝体荷载图、变形图、应力图

图5-10 特殊组合（二）坝体加载图

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图5-11 特殊组合（二）坝体沉降量图

坝体最大位移为1.68mm。

图5-12 特殊组合（二）坝体第一主应力分析图

在坝踵处出现拉应力，拉应力最大值为0.36MPa，拉应力区深度为1.78m，不超过廊道中心线，满足规定要求。

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图5-13 特殊组合（二）坝体第三主应力分析图

在坝址处出现最大压应力，最大应力值为0.32 MPa，小于混凝土抗压强度值9.6 MPa，满足强度要求。 坝体抗滑稳定分析： 抗剪强度公式：

Ks?f(?W?U)

?P基本组合 Ks=1.06>[1.05] 满足要求 特殊组合(一) Ks=1.14>[1.00] 满足要求 特殊组合(二) Ks=1.176 >[1.00] 满足要求 按抗剪强度公式：

Ks'?'f'(?W?U)?c'A

?P基本组合 Ks=4.78 ＞[3.0] 满足要求 特殊组合（一）Ks=2.6>[2.5] 满足要求 特殊组合（二） Ks =5.28 ＞[2.3] 满足要求

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可见挡水坝段满足抗滑稳定要求

坝踵坝址在三种工况下符合应力条件，且变形在安全范围内，故设计合格。 5.3 厂房坝段设计 5.3.1 轮廓尺寸确定

设计时考虑各影响因素：荷载、地基、运用、材料、施工条件等影响，拟定几个方案比较，选出最优方案。重力坝承受的主要荷载是水压力和自重，控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度。因此作用于上游面的水压力及基础扬压力呈三角形分布，所以重力坝的基本剖面是三角形。 坝体高度为76米，坝顶宽度一般取坝高的8%~10%，考虑交通要求,经过综合分析,坝顶宽度取10.5米。上游坝坡坡率n=0，坝底宽为60.8米。符合上游边坡:1:0～1:0.2;下游边坡:1:0.6～1:0.80所允许的范围. 5.3.2 管道的设计

本阶段初选3台40MW混流式水轮机机组,根据已建工程，设计进口段高程为127米，为8米×7米的矩形，管径为5米，管道出口高程为89.8米。 5.4 厂房坝段有限元分析 5.4.1 有限元建模基本剖面

混凝土重力坝建模的基本参数

（1）大坝：弹性模量E=2.4e10Pa，泊松比为?=0.167，密度为2400kg/m，抗拉强度为

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ft=1.96e6Pa，抗压强度fc=10e6Pa。

（2）基岩：弹性模量E=2.7e10Pa，泊松比为?=0.2，密度为2700kg/m

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图5-14 厂房坝建模图

5.4.4基本组合厂房坝段稳定分析

图5-15基本组合厂房加载图

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图5-16基本组合厂房坝段变形图

坝体最大位移为17.6mm。

图5-17基本组合厂房坝段第一主应力分析图

在坝踵处出现拉应力，拉应力最大值为3.4MPa，拉应力区深度为3.78m，不超过廊道中心线，满足规定要求。

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1 挡水坝段的设计

1.1 剖面轮廓及尺寸 1.1.1 坝顶高程的确定

坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程。防浪强顶至设计洪水位或校核洪水位的高差?h，可按下式计算

?h?h1%?hz?hc

hl?0.0166?V05/4?D1/3 h1%=1.24?hl

L?10.4hl0.8

hz?式中：

?hl0.8Lcth2?H Lhl——波浪爬高高度，m；

hz——波浪中心线至静水位的高度，m；

L——波长，m；

H——坝前水深，m；

V0——计算风速m/s，是指水面以上10m处10min的风速平均值，水库为正常蓄水

位或设计洪水位时，宜采用相应季节50年重现期的最大风速，校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值；

D——库面的波浪吹程，km； hc——安全超高m， (1)、设计洪水位情况： D=2km，V=22m/s

hl?0.0166?V05/4?D1/3=1m

h1%=1.24?hl=1.24m

L?10.4hl0.8=10.4m

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hz??hl0.8Lcth2?H=0.3m Lhc?0.5m

?h?h1%?hz?hc=1.24+0.3+0.5=2.04m

因此设计蓄水位时防浪墙顶高程▽=158.42+2.04=160.46m

(2)、校核洪水位：

D=2km，V=14.8m/s

hl?0.0166?V05/4?D1/3=0.61m

h1%=1.24?hl=0.7564m

L?10.4hl0.8=7.0m

hz??hl0.8Lcth2?H=0.17m Lhc?0.4m

?h?h1%?hz?hc=0.7564+0.17+0.4=1.33m

因此校核洪水位时防浪墙顶高程▽=159.18+1.33=160.51m

取1、2两种情况的最大值为160.51m，坝顶高程=161m，防浪墙高0.5m。 1.1.2实用剖面设计

坝底高程为80m，坝高H=161-80=81m，上游坝坡坡率取n=0，下游坝坡坡率取m=0.8，坝底宽为64.8m，坝顶宽度取8m。

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图1-1 挡水坝剖面设计

1.2 有限元建模 1.2.1 单元类型

首先将坝体简化建立二维模型，所以单元类型采用PLANE42。在划分单元之前应将材料属性附给坝体和地基。以便求解的准确性。PLANE42是2 维实体结构单元，用于建立 2 维实体结构模型。本单元既可用作平面单元 (平面应力或平面应变)，也可以用作轴对称单元。本单元有 4 个节点，每个节点有 2 个自由度，分别为 x 和 y 方向的平移。本单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力。并有一个选项可以支持额外的位移形状。

ANSYS的SOLID65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。它可以模拟混凝土中的加强钢筋，以及材料的拉裂和压溃现象。它是在三维8节点等参元SOLID45的基础上，增加了针对于混凝土的性能参数和组合式钢筋模型。SOLID65单元最多可以定义3种不同的加固材料，即此单元允许同时拥有四种不同的材料。混凝土材料具有开裂，

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压碎，塑性变形和蠕变的能力;加强材料则只能承受拉压，不能承受剪切力。

图1-2 PLANE42 单元

图1-3 SOLID65几何模型图

1.2.3关于平面应变与平面应力问题：

①平面应力模型

当结构中任何位置点的应力状态（六个应力分量）中某方向上应力分量为零，其他两个方向上应力不为零，这时三维空间结构处于平面应力状态。在ANSYS中，模型需要在总体坐标系的XOY平面内建立，这时它们具有以下行为特征：

1）Z方向上的应力为零，但存在应变。 2）Z方向几何尺寸远远小于X和Y方向尺寸。 3）只承受XY平面内载荷。

4）只在XY平面内出现位移，Z方向没有位移发生。 ②平面应变模型

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当结构中任何位置点的应变状态（六个应力分量）中某方向上应力分量为零，其他两个方向上应变不为零，这时三维空间结构处于平面应变状态。当一个方向的尺寸远远小于其他两个方向的尺寸，并且垂直于大尺寸方向的横截面积总是保持不变形的结构，如大坝坝体可以近似认为符合该要求。在ANSYS中，总是将几何尺寸很大的方向指定为总体坐标系的Z方向，模型需要在总体坐标系的XOY平面建立模型，这时它们具有以下行为特征：

1）Z方向的应变为零，但存在应力。

2）Z方向几何尺寸远远大于X和Y方向上尺寸。 3）只承受XY平面内载荷。 4）位移只在XY平面内发生。 1.2. 4 建立模型 1）分析类型

本设计分析类型为结构分析，所以选择分析类型为Structural。 2）初始建模

混凝土重力坝建模的基本参数

（1）大坝：弹性模量E=2.4e10Pa，泊松比为?=0.167，密度为2400kg/m3，抗拉强度为fc=1.96ePa，抗压强度ft=22e6Pa。

（2）基岩：弹性模量E=2.7e10Pa，泊松比为?=0.2，密度为2700kg/m3。

（3）根据水工建筑物抗震设计规范，对于重力坝，反应谱代表值为βmax=2,Tg=0.2,其中表达

0?T?0.1???10T?1???20.1?T?0.2 式为：????(0.2/T)0.9*20.2?T?3?注：设计的基本假定：

（4）坝体和坝基连续，即坝体和坝基之间紧密联系在一起； （5）坝基和坝体的材料是均匀的； （6）基岩模型采用线弹性本构模型。

坝体上下游基础宽度均取坝高的2倍，基础深取2倍坝高

建模的方法是先创建关键点，根据关键点创建面，利用布尔运算建立基本的平面模型，然后对该平面模型网格划分，网格划分是坝体于基础的接触面的各个节点是否对应是关键。平面网格划分后对该坝体和基础分别拖拉形成空间模型。

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图1-4 挡水坝ANSYS建模

1.3 网格划分

1.3.1 网格划分基本知识

网格划分是建模中非常重要的一个环节，它将几何模型转化为由节点和单元构成的有限元模型。网格划分的好坏将直接影响到计算结果的准确性和计算精度，甚至会因为网格划分不合理而导致计算不收敛。

网格划分主要包括以下3个步骤：

1）定义单元属性（单元类型，实常数，材料属性）

Main Meau>Preprocessor>Material>Material Models

2）设定网格尺寸控制 Main Meau>Preprocessor>Meshing> MeshTool>Size Controls>Lines set 3）执行网格划分Main Meau>Preprocessor>Meshing>Mesh>MeshTool 1.3.2 网格划分质量问题

网格划分的好坏将直接影响到计算结果的准确性和计算精度，甚至会因为网格划分不合理而导致计算不收敛。划分网格之前一般需要对网格密度进行必要的控制。合理的单元网格密度是获得高精度的结果的保证，准确捕捉场量的分布和梯度变化，如应力、应变的分布与梯度变化，应力集中位置需要相对较密的单元网格，为了捕捉振动的波形效应必须在一个波长距离上划分多个

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单元，为了捕捉塑性区域的产生位置、扩展过程以及最终塑性区域的大小要求在适当区域划分较密网格等。在实际工程计算中，用户一定要根据自己的分析目的和问题的性质来确定划分网格的密度控制。

很多情况下，例如裂纹分析、应力集中等，都要求某个局部的网格具有比较精细的划分，以便获得精确的结果。网格细化的命令在主菜单中的Preprocessor/meshing/modify mesh子菜单中。再者，坝体和基础的接触面的节点是否完全对应也是关键。 1.3.3网格划分具体操作

单元网格的划分也是有限元建模过程的一个重要的部分，网格划分的好坏与否直接影响到计算的精度，在坝趾和坝踵及廊道处的应力较大，所以这些地方在进行网格划分的时候应该进一步细化，有两种方法可行：

1）在为模型按统一比例划分完后，再在现有单元的基础上选择应力较大的部位再选择合适的比例进一步细化。但是采用进一步细化容易对坝体和地基相接触部位的单元节点对应不上，这对耦合时容易将坝体和地基接触初产生刚性面。对求解的精度带来不利影响。一般采用第二种方法。

2）在划分面之前先将线不等分化，在应力集中处线的分段长度小，反之则划分长度相对较长。然后再将面网格化。网格划分可以采取先划分线，再划分面。

图1-5 网格划分

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1.4 加载求解

1）自由度约束：岩基作为固定端施加全约束，垂直水流流向的上坝基面施加X方向的约束 2）主要荷载有：⑴自重 ⑵静水压力和动水压力 ⑶扬压力 ⑷浪压力 ⑸泥沙压力 (6)土压力 (7)地震荷载

总体上分为基本荷载和特殊荷载两种，设计混凝土重力坝时，荷载组合可分为基本组合和特殊组合，基本组合由基本荷载所组成；特殊除相应的基本组合外，还包括一种或几种特殊荷载。挡水坝段设计分三种情况，分别是：

1）基本组合：设计洪水位 158.42米: 荷载有:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力 2）特殊组合（1）:校核洪水位159.18米: 荷载有:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力 3）特殊组合（2）:正常蓄水位 154.5米:

荷载有:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+地震荷载

注: 在这里只考虑对坝体影响较大的荷载，如上下游水压力、泥沙压力、扬压力、自重。

在ANSYS中，加载求解也是很重要的一步，合适的加载和边界条件将能够更好的模拟实际情况；而适当的求解过程的控制将直接影响到求解的精度和所花费的机时，甚至收敛与否。 施加荷载的主要内容有：

1）施加荷载 2）求解过程控制

在ANSYS程序中，载荷包括边界条件和外部或内部作用力。对于本设计载荷主要以下两类： 1）自由度约束：岩基作为固定端施加全约束，垂直水流流向的上坝基面施加X方向的约束。 2）主要荷载有：上、下游静水压力；泥沙压力；扬压力。 荷载的梯度计算公式：P(x)?P(x0)???(x?x0) P(y)?P(y0)???(y?y0) P(z)?P(z0)???(z?z0)

实体模型加载，选择主菜单Solution/Define loads/Apply中的分类加载子菜单中的命令。 荷载的施加主要考虑三种工况，分别是基本组合、特殊组合（一）和特殊组合（二）。 数据分别如下：

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表1—1

坝顶高单位：M 上游水位 下游水位 泥沙高程 程 基本组合 特殊组合（一） 特殊组合（二）

158.42 159.18 154.50 116.58 117.30 113.87 103.00 103.00 103.00 161.00 161.00 161.00 8 8 8 64.80 64.80 64.80 坝顶宽 坝底宽

图1-6 基本组合施加荷载

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图1-7特殊组合（一）施加荷载

图1-8特殊组合（二）施加荷载

1.5 应力分析

应力的目的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也是为研究解决设计

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和施工中的某些问题，如混凝土标号分区和某些部位的配筋等提供依据。本设计采用弹性理论的有限元法 。

1）有限元法计算的应力控制标准：

材料力学法规定坝体内不容许出现主拉应力，而根据均匀弹性体用有限元法计算高重力坝时，上游坝踵都有一个拉应力区,拉应力区宽度宜小于坝底宽度的0.07倍或小于坝踵至帷幕中心线的距离。目前，对用有限元计算得的坝踵拉应力如何考虑，尚无统一规定。因坝体和岩基均非完全弹性体，用有限元法计算出上游坝踵处较大的拉应力，可能只是造成局部的塑性屈服，而并不一定威胁大坝的安全。

2）各工况的应力分析：

图形显示S1主应力：选择菜单Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Sol弹出Contour Nodal Solution Data对话框，在 Contour Nodal Solution Data选项的左侧列表中选中Stress选项，右侧列表中选择1st principal S1选项，单击OK按纽观察第一主应力结果。

图形显示S3主应力：选择菜单Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Sol弹出Contour Nodal Solution Data对话框，在 Contour Nodal Solution Data选项的左侧列表中选中Stress选项，右侧列表中选择3st principal S3选项，单击OK按纽观察第三主应力结果。

图1-9基本组合第一主应力

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图1-10基本组合第三主应力

图1-11基本组合X方向位移图

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图1-12基本组合Y方向位移图

图1-13基本组合Z方向位移图

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图1-14基本组合总方向位移图

计算量 坝踵 第一主应力 基本组合 第三主应力 X方向位移 Y方向位移 Z方向位移 总方向位移

坝址 坝踵 坝址 符号/单位 数值 0.689 -0.344 -0.0167 -4.17 0.0253 0.008 0.0482 0.203 σ1（兆帕） σ2（兆帕） （㎜） （㎜） （㎜） （㎜） 38

图1-15 特殊组合（一）第一主应力

图1-16 特殊组合(一)第三主应力

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图1-17特殊组合（一）X方向位移图

图1-18特殊组合（一）Y方向位移图

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图1-19特殊组合（一）Z方向位移图

图1-20特殊组合（一）总方向位移图

计算量 特殊组合（一） 第一主应力 坝踵 坝址 符号/单位 数值 0.715 -0.322 σ1（兆帕） 41

坝踵 第三主应力 X方向位移 Y方向位移 Z方向位移 总方向位移

坝址 σ2（兆帕） （㎜） （㎜） （㎜） （㎜） 0.020 -4.11 0.026 0.013 0.0478 0.200

图1-21 特殊组合（二）第一主应力

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图1-22 特殊组合(二)第三主应力

图1-23特殊组合(二)X方向位移图

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图1-24特殊组合(二)Y方向位移图

图1-25特殊组合(二)Z方向位移图

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图1-26特殊组合(二)总方向位移图

计算量 坝踵 第一主应力 特殊组合（二） 第三主应力 X方向位移 Y方向位移 Z方向位移 总方向位移 坝址 坝踵 坝址 符号/单位 数值 0.357 0.14 0.019 -0.17 0.00037 0.0013 0.00023 0.0017 σ1（兆帕） σ2（兆帕） （㎜） （㎜） （㎜） （㎜）

1.6抗滑稳定的计算 抗剪强度公式：

Ks?式中：

f(?W?U)

?P Ks——抗滑稳定安全系数；

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f——坝体混凝与坝基接触面的抗剪摩擦系数，本工程取0.65； U——作用在接触面上的扬压力；

?W——接触面以上的总铅直力； ?P——接触面以上的总水平力。

?Ks?——抗滑稳定安全指标，查教材《水工建筑物》得基本组合(1)?Ks??1.05，特殊组合

（1）[ Ks ] =1.00 ，特殊组合（2）[ Ks ] =1.00。 抗剪断强度公式：

Ks'?式中：

f'(?W?U)?c'A

?PKs'——抗滑稳定安全系数；

f'——坝体混凝与坝基接触面的抗剪断擦系数，本工程1.1；

c'——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪凝聚力，本工程取1.1Mpa；

A——坝基接触面的截面积。

?Ks'?——抗剪断安全指标，设计规范规定，不分工程级别，基本组合(1)?Ks'??3.0，特殊

组合(1)?Ks'??2.5，特殊组合（二）不小于(1)?Ks'??2.3

有限元抗滑稳定数据的提取 具体步骤如下：

1）利用菜单Main Meun>general Postproc>Nodal Calcs>Summation PT>At XYZ Loc选择需要计算的位置。

2）Main Meun>general Postproc>Nodal Calcs>Summation PT>Total Force Sum。在这里需要提取的结果项是：ΣW-U，ΣP提取结果如下，带入公式即可得到抗剪断强度，抗剪强度。

挡水坝段稳定计算成果表

稳 组合 符 号 计算量 垂直力 水平力 ∑ W↓(N) ∑ P (N) 0.399×108 0.25×108 基本组合 特殊组合 (一) 0.664×109 0.3788×109 特殊组合 (二) 0.415×108 0.23×108 定 计 算 46

抗剪公式 Ks 1.06>1.05 1.14>1.00 1.176>1.00 抗剪断公式 Ks' 4.78>3.0 2.6>2.5 5.28>2.3 稳定指标分析总结 1）按抗剪强度公式：

基本组合 Ks=1.06>[1.05] 满足要求 特殊组合(一) Ks=1.14>[1.00] 满足稳定要求 特殊组合(二) Ks=1.176 >[1.00] 满足稳定要求 2）按抗剪断强度公式：

基本组合 Ks=4.78＞[3.0] 满足要求 特殊组合（一） Ks=2.6>[2.5] 满足要求 特殊组合（二） Ks =5.28＞[2.3] 满足要求 可见挡水坝段满足抗滑稳定要求

'''1.7 水工建筑物抗震设计

我国受环太平洋地震带的影响，地震活动频繁，历史上多次发生灾害性大地震，全国大部分地区为抗震设防区，近期又处于地震活动上升期，需要重视水工建筑物的抗震设计。

水库蓄水会影响震源活动条件可诱发地震活动，而地震作用是典型的动态作用，在地基随机性运动的影响下，可能使基岩断层活动发生错动，沙地层液化，库水对坝产生动水压力，建筑物开裂或倾倒，填土对挡土建筑物产生动土压力、水库库岸崩塌、土石坝坝坡滑动或沉降裂缝等作用效应，而对于这一系列的破坏，对水工建筑物的危害非常大，故需进行抗震设计。在考虑到以上情况和地震作用效应时，降低工程的失效率，增加其可靠度，从而作到设计合理、经济可靠、技术先进的设计要求。

地震的强烈程度，是一次地震活动的规模已其释放的总能量来评价，按里氏震级划分标准，最大震级不超过九级，而我国将地震烈度分为十二级，六度以上为有害震动。本工程中根据坝址所处地区的历史震害调查和近代地震记录拟订为七度，在设计中参见《水工建筑物设计手册》在经受7-9度地震的地区内设计水工建筑物时，必须考虑专门要求，由此根据工程中的各种资料（库容、下游防护等）拟定为三级建筑物。由设计规范中三级及四级建筑物设计阶段确定地震荷载可

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采用第一振型和与之相应的近似的建筑物变形形式的近似关系，在计算水工建筑物强度时，只考虑地震作用的水平分力，计算稳定性时考虑水平分力和垂直分力作用。本工程建筑物级别为三级，地震基本烈度为七度。

在ANSYS中，结构动力学分析可以在Ansys multiphysis,ansysmechanical,ansysstructural和ansys professional programs这几个单元中使用。结构动力学分析包括模态分析、谱响应分析、瞬态动力学和谱分析。在抗震中，主要应用模态分析和谱分析。模态分析主要是计算自然频率和结构的模态形状，同时提供不同的模态提取 方式，而谱分析作为模态分析的一种延伸，用于计算对于谱或PSD随机振动输入的应力和应变响应。

在抗震设计中用振型分析法时要找出振动的特性，并结合β-T曲线来提取反应谱，而模态分析主要用于确定结构中的振动特性---固有频率和振型，并且是瞬态动力学分析，谱响应分析、谱分析的前提，故对地震的谱分析来讲，模态分析非常重要，主要步骤具体入下所述：

第一步建立分析模型

在模态分析中的建立模型与其他结构分析中的建立模型过程相似,但建立模型时值得注意以下问题。第一，模态分析属于线性分析，也就是说，在模态分析中只有线性行为是有效的，如果在分析中指定了非线性单元，在计算中将被忽略并被作为线性行为处理，如果在分析中包含接触单元，则刚体矩阵是基于初始状态并在分析中不被改变。第二，在模态分析中，材料的性质可为线性的、各项同行的或正交各项异性的、恒定的或者与温度相关的。分析中必须指定弹性膜量EX和密度DENS，而非线性性质被忽略。

第二步在模型上加载并求解 a）进入ANSYS求解器SOLUTION

b）指定分析类型和分析选项；在GUI形式下执行路径：Main menu>solution>Analysis type>New analysis,

在New analysis[ANTYPE]中指定模态分析类型Model,在Model extraction method[MODOPT]中选择提取方法，从subspace法block lanczos法、power dynamic法Reduced(HOUSEHOLDER)法、unsymmetrical法和damped法中选择一种模态提取方法，在大多数分析中都使用subspace法、blocklanczos法或者powerdynimics法，而unsymmetrical法和damped法只在特殊的情况下才能用到。Number of modes to expand{MXPAND}此选项只有在采用Reduced法、unsymmetrical法和damped法时需要设置，但是如果想要的到单元求的结果，则无法采用何种模态提取方法都必须打开calculation elem results选项。

Mass matrix formulation[LIMPM]:使用该选项可以采用默认的质量矩阵形成方式或者集中质

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量矩阵近似方式。一般建议在大多数应用中采用默认的质量矩阵形成方式，但在有些包含“薄膜”结构的分析问题中（如细长梁和非常薄的壳），采用集中质量矩阵近似方式经常可以产生较好的结果。

Prestress effects calculation[PSTRES]:使用该项可以计算有预应力结构的模态，默认的分析过程并不包括预应力。

c）定义自由度，自由度的定义只有在使用reduced模态提取方式时才有效。主自由度（MDOF）是指能够描述结构动力学特性指定的自由度，其选取的规则是选择到所需模态阶数一倍数目的MDOF。运用时建议使用命令[TATOL]使程序按照刚度质量比选择一些附加的自由度。

d）在模型中施加载荷：在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。如果在DOF处指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约束代替在该DOF处的位移。载荷可以施加在实体模型上，也可以施加在有限元模型上，具体加载的方法参见书《ANSYS7.0基础教程与实例详解》151-161页。

e）指定荷载步选项：参见书《ANSYS7.0基础教程与实例详解》第五章。 f）备份数据文件。

g）开始求解计算：执行路径：main menu>solution>current LS求解器的输入内容主要是固有频率，将其写入输出文件Jobname.out和振型文件Jobname.MODE中。

第三步模态扩展

如果需要在POST1中观察计算结果，避免出现峰值，必须首先扩展振型，既将振型文件写入结果文件。在扩展振型文件时文件Jobname.MODE，Jobname.EMAT，Jobname.ESAV和Jobname.TRI必须存在，而且数据库中必须包含求解模态时所以模态相同的分析模型。其主要步骤如下：

a）在次进入ANSYS求解器solution中。

b）激活扩展处理及相关选项，在GUI方式下执行路径：main menu>solution>load step opts>expansion pass>single expand>expand modes

ANSYS提供的扩展处理选项的含义分别为：

Expansion pass on/off[EXPASS]:一般推荐将设置为ON。

Number of modes to expand[MXPAND,NMODE]:指定要扩展的模态数。需要注意扩展模态只能在后处理中观察到，且程序在默认值为无扩展模态

Frequencyrangeforexpansion[MAPAND,FREQB,FREOE]:这是另一种控制扩展模态数的方法。如果制定了一个频率范围，那么只有在指定的频率范围内模态会被扩展。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i0nx.html