空洞对堤防动力响应的影响分析.pdf

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1、人民黄河Vo1．33．No．4第33卷第4期2011年4月YELLOWRIVERApr．，2011【防洪·治河】空洞对堤防动力响应的影响分析周宇龙，蔡迎春，王斌(郑州大学水利与环境学院，河南郑州450002)摘要：针对堤防空洞隐患特征建立了堤防的动力有限元模型，不同工况下时程曲线的分析结果表明：空洞埋深对时程曲线影响比较大．空洞埋置越浅，第一个半波的峰值越大；"3-堤防中存在空洞等缺陷时，可以通过加密测点来确定空洞在水平方向的位置：空洞竖向尺寸的改变对时程曲线的影响不大，空洞水平方向尺寸改变对时程曲线的影响比较明显，随着空洞水平方向尺寸的增大，时程曲线的峰值不仅增大，而且有明

2、显的延迟现象；随着作用荷载大小的不同，空洞埋深对时程曲线的影响有一定的范围。关键词：有限元模型；动力响应；隐患探测；空洞；堤防中图分类号：TV312文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2011．04．006我国白蚁的分布地区很广，其中以黑翅土白蚁对堤防的危害对式(1)采用有限元进行求解可以得到系统动力有限元平最大，它的蚁穴洞径很大，主巢洞径一般为1130cmx70cmx50cm，衡方程：大多分布在堤防以下1．5～3．0m深处。主巢周围蚁道密布，M·a+C·a+K·a=Q(t)(2)形成了一个庞大的洞室群，大一点的洞室群在平面上可达5—6式中

3、：M、C、K分别为弹性半空间系统的质量矩阵、阻尼矩阵和m。有些蚁害严重的堤段，平均每千米有I．34处蚁穴⋯。土刚度矩阵；口、a、a分别为加速度向量、速度向量和位移向量；栖白蚁在堤坝内打洞筑巢，会引起堤防漏水，当洪水来临时甚Q(t)为动荷载。至弓{起溃堤。因此，如何快速、有效地找出蚁穴隐患，及时对堤防采用Rayleigh阻尼，即单元阻尼阵C=+，=工程进行加固处理，一直是防洪工程管理工作的重要课题。铷，卢=∞，上标e表示矩阵为单元矩阵，为阻尼比，(￡，为现有堤防隐患检测方法主要有人工探视法、破损法及无损结构的基频。对于式(2)采用无条件稳定的Newmark法进行检测法。人工探视

4、法既费力费时又难以发现隐患；破损法如锥求解。Newmark积分方法实质上是线性加速度法的一种推广，探法等，既具有局部性又具有破坏性。所以这两种方法都不能它采用下列假设：满足快捷、精细、准确等要求。无损检测方法具有快速及不破坏堤防等优点，主要有振动法、传导类电法(如常规电法、高密a=a+[(1一占)a++A1]△￡(3)度电法等)、波动法(如反射波法、折射波法、瑞利波法、瞬变电口+=n+atAt+[(1-一)口+6口H]At(4)磁法、地质雷达法等)及示踪法等，每种方法都有其适用范围及优缺点，其中基于振动理论的振动法是一种有效的无损检测式中：和6为由积分精度和稳定性要求决定的参

5、数。方法。笔者采用动力有限元原理模拟堤防中含有空洞时的动由式(4)解得力响应，研究了堤防中材料特性、空洞埋深、空洞大小等对动力响=(‰)一。一(去(5)应的影响，以期为动力探测隐患的位置、大小提供一定的参考。将式(5)代入式(3)，然后再代入式(2)，则得到由、、a计1动力有限元分析原理算ac+△的公式：将堤防中的蚁穴等隐患理想化为规则的空洞，根据动力有c+肘+=心+ME++限元原理I4建立有限元模型。在动荷载作用下，当空洞位置和大小不同时得到各种工况下的动力时程曲线，通过分析不同(一1)]+c[+(詈一1)+(砉一1)ata。。]工况下的时程曲线来探查隐患的位置和大小。(6

6、)采用三维弹性体模型模拟堤防动力响应，在动荷载作用下当6／>0．5、otI>0．25(0．5+时，Newmark方法无条件稳定。的弹性介质内，其动力控制微分方程为J+=pulIl+(1)收稿日期：2010—02一l1基金项目：河南省自然科学基金资助项目(82300440070)；河南省科技攻关项目式中：为应力张量在Xj方向的偏导数为体积力张量；P为(0624450009)。质量密度为阻尼系数；“和“分别为对t的二次导数和作者简介：周宇龙(1983一)，男，河南兰考人，硕士，研究方向为水工结构检测评价与安全性、耐久性。一次导数，即分别表示i方向的加速度和速度。E·mail-zh

7、ouyu一4l1@163．130111人民黄河2011年第4期拟，得到动力时程曲线h。～h，其中h。对应无空洞时的动力响2实例应用应，见图4。可以看出：当堤防中含有空洞等异常体时，动力时程曲线有明显的变化；当空洞埋深比较浅时，第一个半波的峰假设堤防为均匀介质，有限元分析中堤防材料的弹性模量值明显增大，原因是有空洞存在时，介质在空洞表明的材料特取100MPa，泊松比取0．35。有限元单元选用六面体8节点等性发生了明显的变化，导致弹性波在空洞表面发生了反射，当参单元，每个单元8个高斯点，将模型划分为8320