考慮動(dòng)水壓力和流固耦合的庫(kù)水-壩體-地基系統(tǒng)建模與動(dòng)力分析

趙佳耀， 黃 丹， 徐業(yè)鵬， 王 磊

(河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，南京 211100)

1 引 言

目前，我國(guó)已建或在建的大型水利工程大多處于地震多發(fā)區(qū)[1]，面對(duì)地震的強(qiáng)破壞性和不可預(yù)知性，結(jié)構(gòu)物極易受到損傷破壞并導(dǎo)致水災(zāi)、滑坡和海嘯等災(zāi)害發(fā)生。因而針對(duì)水工建筑物系統(tǒng)開展抗震分析非常重要，廣受力學(xué)和相關(guān)工程領(lǐng)域關(guān)注。

在水工建筑中，水體由于地震而產(chǎn)生的動(dòng)水壓力會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，不可忽視。20世紀(jì)30年代，Westergaard[2]針對(duì)水工建筑物中最典型的壩體所受的動(dòng)水壓力開展研究，并在假設(shè)壩體和地基均為剛性的條件下，提出了垂直壩面動(dòng)水壓力模型。隨后，眾多學(xué)者對(duì)壩面動(dòng)水壓力問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。如Zhou等[3]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了地震引起動(dòng)水壓力的發(fā)展過(guò)程；王忠陽(yáng)[4]首次采用等效替代方式模擬地震引發(fā)的庫(kù)水作用，通過(guò)某閘墩模型研究該方法的作用機(jī)理，并驗(yàn)證了試驗(yàn)方法的可行性與適用性；王銘明等[5,6]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)上壩體-庫(kù)水系統(tǒng)動(dòng)力模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比，表明附加質(zhì)量法夸大了庫(kù)水對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

隨著數(shù)值方法研究的深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)值模擬開展動(dòng)水壓力和流固耦合計(jì)算成為另一個(gè)重要的途徑。如陳懷海等[7]基于級(jí)數(shù)展開和線性疊加原理，提出了求解壩面動(dòng)水壓力的計(jì)算方法；Maity等[8]通過(guò)有限元離散迭代實(shí)現(xiàn)流固界面的相互作用。Zeinizadeh等[9]提出在開口收縮縫中應(yīng)用動(dòng)水壓力的算法來(lái)研究收縮縫水壓力對(duì)拱壩的影響。……