基于CFD的地震波作用下坝面动水压力研究

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在地震发生过程中库水会使大坝表面承受施加的动水压力,该动水压力给大坝的安全稳定性带来诸多不确定性的影响,精确的求解地震过程中坝面动水压力对坝体的安全稳定性评价意义重大。目前对坝面动水压力的研究方法仍存在求解理论模型简单、无法精确对库水运动形态求解等问题。在总结已有的研究基础上,利用开源CFD软件OpenFOAM中动网格技术,参数化分析了坝体在简谐波激励下坝面动水压力的影响因素,验证Westergaard经典解析公式并修正Westergaard简化公式;研究了地震波激励条件下、不同激励方向时的坝面动水压力的分布特性。研究结果如下:(1)利用CFD动网格技术对坝面动水压力的求解与理论解析解能较好吻合,说明该方法对求解地震激励下坝面动水压力问题是可信的、有效的。(2)建立二维坝体-地基-库水模型,利用简谐波激励坝体,对坝面动水压力影响因素做参数化研究,结果表明:振幅A、周期T、水深D对坝面动水压力的影响较小;库水表面微幅重力波对坝面动水压力的影响较小,但在大振幅、大周期的波形激励下,会产生一定幅度的重力波,这会影响坝面动水压力偏小。所以不考虑表面重力波时,Westergaard解析公式对求解坝面动水压力问题是正确的。(3)Westergaard简化公式在估算垂直坝面动水压力时会在坝体上部和底部偏大,坝面动水压力越大则估算偏差越大;倾斜坝体表面动水压力随倾斜角度增大而增大,Westergaard简化公式并不适用于倾斜坝面,估算误差严重偏大。修正后的Westergaard简化公式能较好的拟合垂直坝面动水压力,而且针对不同倾斜角度的坝体表面动水压力也能较好的拟合,具有良好的工程应用价值。(4)建立三维坝体-地基-河岸-库水模型,在单向(x方向、y方向和z方向)、二向(x-y方向、x-z方向和y-z方向)、三向(x-y-z方向)地震波激励下,结果表明:垂直坝面动水压力均要大于倾斜坝面;在y方向激励下河谷宽度对坝面动水压力存在影响,河谷宽度与水深比L/D>3时,河谷宽度对坝面动水压力影响较小,L/D<3时,河谷宽度对坝面动水压力影响较较大;y方向激励对坝面动水压力的分布会产生较大的影响,因此在进行大坝的安全设计及安全评价时应该考虑;三向激励下的坝面动水压力Pxyz与单向叠加后坝面动水压力(Px+Py+Pz)的分布一致,可以通过(Px+Py+Pz)来估算,对工程应用具有指导意义。
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