《巖土與結構工程數值方法》課程專題巖體工程穩定分析和變形加固理論及工程應用清華大學水利系巖石力學與工程研究中心Mar.6,2006TSINGHUAUNIVERSITY1概述2巖體工程的穩定分析3變形加固理論4大規模數值計算技術5錦屏一級水電站高邊坡穩定和加固措施研究TSINGHUAUNIVERSITY內容提綱TSINGHUAUNIVERSITY1概述我國水電資源集中在西部地區，該地區具有全球最強烈的現代地殼活動和高地應力場，其特殊復雜的地質、地形條件，以及超大規模長期安全、穩定運行的要求，使得西部地區巨型水電樞紐大量采用高拱壩、地下廠房和深埋隧洞引水發電的布置形式：溪洛渡(278m)：地下廠房小灣(292m)：壩基地應力卸荷、壩肩基礎處理錦屏一級(305m)：高邊坡、壩肩基礎處理、地下廠房錦屏二級：深埋長引水隧洞，17km，2500m埋深……..高壩地基系統的開裂破壞、壩基的優化選擇、巖石高邊坡的穩定和加固、深埋地下洞室等是這些工程中經常遇到的問題。TSINGHUAUNIVERSITY1概述－研究背景－高拱壩壩體體型優化建基面優化選擇壩基加固處理高拱壩設計核心提高拱壩抗裂及整體穩定性

工程實踐表明，大壩的失穩或破壞大多是由于壩的基巖或壩體建基面附近存在缺陷，從而引起壩上的一定部位，尤其是上游壩踵和壩與基巖的相接處，產生拉壓應力的集中，導致拱壩局部開裂，進而引起大壩開裂，并造成壩體的最終失穩破壞。

TSINGHUAUNIVERSITY1概述奧地利Kolnbrein壩在1977年建成后第一次蓄水時即出現上游壩踵處開裂而漏水的問題TSINGHUAUNIVERSITY1概述我國的二灘拱壩下游壩面出現的裂縫TSINGHUAUNIVERSITY1概述地基失穩是引起拱壩破壞的另一重要原因1959年法國Malpasset拱壩因降雨量大和地基中深層裂隙的發展，使壩體連同地基發生深層滑動而潰壩，死亡400余人。TSINGHUAUNIVERSITY1概述－研究背景－高邊坡工程天然邊坡主要指水庫庫岸邊坡等，該類邊坡在水庫蓄水后，受水的影響，容易發生庫岸滑坡，造成涌浪，影響大壩和附近居民的安全。

意大利的Vajoint大壩由于邊坡的滑動導致大壩的不能使用

TSINGHUAUNIVERSITY1概述人工邊坡則包括大壩開挖形成的壩肩邊坡、船閘邊坡、電站廠房邊坡等。錦屏一級水電站高邊坡TSINGHUAUNIVERSITY1概述－研究背景－深埋地下洞室典型問題：高地應力高滲透壓力高地溫圍巖穩定分析支護設計

地應力模擬穩定性評價支護時機選擇反饋分析……..數值分析和地質力學模型試驗存在的問題TSINGHUAUNIVERSITY1概述－水工巖體體工程的需求常規的數值計算算方法和常規的的巖體本構關系系都不能滿足要要求。需要建立立新的數值模擬擬手段和新的本本構關系，通過過新的評價體系系來解決這類問問題。因此，對這些巖巖體工程的穩定性和加固措施進行深入研究，，為設計和施工工提供可靠的依依據，對巖石力力學理論在水工工巖體工程中的的應用的發展都都具有重大的意意義。水工巖體工程特點：規模大地質條件復雜不確定因素多要求：使用期長長安全度高TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術術問題綜述高拱壩混凝土和和壩基巖體的開開裂分析拱壩失效破壞可可以分為兩個階階段：開裂和失失穩拱壩開裂破壞的的原因很復雜：：干縮、凍融、、溫度變化、超超常荷載、水力力劈裂、材料質質量惡化、地基基異常變形等，，都是可能引起起破壞的因素。。目前，拱壩設計計中沒有明確的的抗裂設計方法法和原則，抗裂裂要求主要通過過控制拉應力區區、損傷塑性區區和優化體型來來體現。斷裂力學引入巖巖石力學，使得得分析巖體中的的裂紋擴展問題題成為可能。目目前主要集中于于二維問題或者者簡單三維試件件的研究，但如如何對三維裂紋紋擴展進行有效效的數值模擬還還遠遠沒有得到到解決，距實現現高拱壩壩開裂裂過程的仿真分分析尚有一定的的距離傳統有限單元等等方法的裂縫追追蹤能力不強，，商業軟件如ANSYS，有判斷開裂區區的功能，但不不能對裂縫進行行定位與追蹤；；有些新方法如如無網格法雖然然在開裂分析方方面具有一定的的優勢，但是還還不能真正有效效處理三維問題題，距離實際工工程應用還有很很多工作要做。。TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術術問題綜述高拱壩混凝土和和壩基巖體的開開裂分析現有的K1，K2，K3的高拱壩開裂和和整體穩定評價價體系張楚漢，工程類類比法，以二灘灘拱壩作為不開開裂的基準工程程來評價其他拱拱壩的開裂和穩穩定。基于以前前經驗和已有工工程評價拱壩開開裂和穩定基于網格加密和和大規模計算技技術的開裂分析析方法。從思路路上是可行的，，但是對高拱壩壩這樣空間尺度度很大的三維復復雜結構而言，，實際應用上卻卻存在計算量非非常巨大、計算算可能不收斂的的問題。裂紋追蹤和模擬擬的可行方法：：結合使用網格自自適應方法、非非局部化損傷方方法，采用大規規模計算技術來來追蹤裂紋擴展展是可行的。TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術問題題綜述從拱壩裂縫形成成的機理上來看看，拱壩開裂多多集中和發源于于拱端附近的應應力集中區，這這些應力集中區區進入壩肩巖體體內衰減很快，，形成高梯度應力區。拱肩槽開挖、隧隧洞開挖導致的的巖體卸荷也會會形成高梯度應應力。高梯度應應力區而非高應應力區是使混凝凝土和巖體發生生開裂的根源。。高拱壩和加固措措施的設計中要要盡量避免出現現突變，不論是是幾何形狀突變變，還是材料裂裂隙性質的突變變，都是非常不不利的。實際上上，這種突變是是導致高梯度應應力區的重要根根源。要反應高高梯度應力的影影響，需要在巖巖石本構關系中中引入非線性、、各向異性、多多尺度、多相耦耦合、局部化分分叉、非局部化化處理及內稟長長度等概念，這這在工程應用上上具有一定的困困難。在目前的的研究水平上，，通過深化已有有方法來引入這這些概念，可能能更具有工程使使用價值。目前前，關于高梯度度應力方面的研研究文獻還相對對比較少。高拱壩混凝土和和壩基巖體的開開裂分析TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術問題題綜述巖體工程穩定和和加固分析的評評價標準巖體工程的穩定定評價抗滑穩定變形穩定傳統方法：抗滑滑穩定－》剛體極限平衡地質力學模型試試驗和三維非線線性有限元計算算可以更真實的的反映結構和地地基的聯合工作作情況以及其中中的非線性應力力調整，但是只只能給出位移、、應力和點安全全度的分布，其其中點安全度反反映的是局部點點的安全度，而而不是整體穩定定情況。變形穩定目前尚尚無明確的定義義和控制指標，，而從地質力學學模型超載試驗驗經常可以觀察察到大壩破壞是是由于壩肩變形形過大導致大壩壩喪失承載力造造成的。拱壩建基面優化化分析TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術問問題綜述巖體工程穩定定和加固分析析的評價標準準巖體工程的穩穩定評價壩肩和邊坡穩穩定：剛體極極限平衡法和和基于有限元元的強度折減減法基于多重網格格法，基于非非線性有限元元的邊坡穩定定分析方法，，更能反映巖巖體的非線性性變形，結合合了抗滑穩定定和變形穩定定整體穩定：能能量方法的使使用更為合理理破壞后階段的的數值模擬問問題：解決方方法是采用精精細的荷載步步、采用反映映破壞后階段段的幾何非線線性和損傷局局部化特征的的數值方法進進行。大規模數值計計算技術TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術問問題綜述巖體工程穩定定和加固分析析的評價標準準拱壩建基面的的應力控制標標準有限元數值計計算結果的網網格依賴性要求有限元計算成成果的規范化化應力的線性等等效應力的非線性性等效自適應方法解決方案其中，要在工工程中得到實實際應用，非非線性等效和和自適應方法法均需采用大大規模計算技技術TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術問問題綜述巖體工程穩定定和加固分析析的評價標準準加固設計和加加固效果的評評價常規數值方法法：模擬效果果甚微錨索、墊腳加加錨加固措施的效效應和加固力力對結構變形形特征極為敏敏感變形加固理論論：變形、穩穩定、加固基于抗滑穩定定的加固設計計比較明確，，但滑動失穩穩是一種處在在超載或降強強下的極端狀狀態，偏離正正常工作狀態態很遠。著眼眼于正常工作作狀態的基于于變形穩定的的加固設計可可能更具有工工程實際意義義，但到目前前為止，還沒沒有一套明確確的設計方法法和準則。TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術問問題綜述巖體工程穩定定和加固分析析的評價標準準加固設計和加加固效果的評評價變形（不平衡衡力）加固理理論（楊強，，2003）根據不平衡力力的大小、方方向、分布，，即可有效地地確定加固力力解決收斂性問問題加固力大小、、方向均能確確定同時考慮了抗抗滑穩定和變變形穩定存在問題：理論、數值模模擬結果與試試驗分析的驗驗證？？？與規范的配套套使用？？？？TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術問問題綜述巖體工程穩定定和加固分析析的評價標準準深埋地下洞室室的穩定和支支護問題塑性松動圈：：確定和數值值模擬巖爆：判別標標準，極限拉拉應變、最大大主壓應力/最小主壓應力力流變問題：工工程實用上的的問題支護時機選擇擇：新奧法，，和變形的聯聯系噴錨支護的數數值模擬TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術問問題綜述巖體工程穩定定和加固分析析的評價標準準－降強和超超載超載分析突出出了拱端推力力作為主要滑滑動力的地位位，這和常規規剛體極限平平衡分析的精精神是一致的的。降強分析則強強調了巖體、、結構面力學學參數不確定定性的一面。。綜合強度指標標將兩者結合合起來：先降降強至一定程程度，再超載載。材料參數數降低后還能能承受多大的的荷載。比較較符合實際情情況。巖石的強度應應力比強度的尺寸效效應、數值模模擬中的應力力取值問題？？對巖體工程這這樣復雜的結結構體系追求求單一的安全全指標是不適適宜的，無法法全面反映客客觀存在的可可能多種失穩穩模式，應該該建立反映破破壞多尺度特特點的安全指指標體系，如如點、面、塊塊、整體安全全度。這也是是所謂的“工工程穩定廣角角度準則”的的精神（卓家家壽）TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術問問題綜述地應力場的數數值模擬參數反分析直接的地應力力場多元回歸歸法應力函數法由測點應力值值直接推算應應力場計算量大收斂速度慢結果不夠精確確逆反分析方法法直接反分析方方法：解析方方法、隨機方方法和枚舉法法大規模數值計計算技術TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術問問題綜述滲流場模擬及及和應力場的的耦合分析拱壩壩基開裂裂巖石高邊坡地下洞室的穩穩定滲流場和應力力場的耦合方方法全耦合迭代耦合：實實用方法顯式耦合偽耦合關鍵問題：應應力場對滲流流場的影響，，對于雙重孔孔隙介質模型型，則主要是是應力場對裂裂隙巖體的滲滲透系數的影影響滲流場的數值值模擬雙重孔隙介質質模型（DP）多重孔隙介質質模型滲透系數張量量理論離散裂隙網絡絡模型（DFN）DP和DFN的結合TSINGHUAUNIVERSITY1概述－關鍵技術問問題綜述大規模數值計計算和三維數數字建模技術術三維有限元的的并行計算在在水利工程中中的應用還不不普及，大空空間尺度水工工結構的有限限元分析精度度較低，同時時，破壞后階階段的精細模模擬（采用很很精細的荷載載步長）不能能實現。三維數字建模模技術、計算算機圖形理論論和虛擬現實實技術相對比比較成熟，但但是在水利工工程中的應用用還處于一個個起步階段，，造成的現狀狀是有限元的的前處理工作作巨大、后處處理不能實現現真正的人機機交互和圖形形圖像的實時時處理。由于計算能力力的限制，三三維有限元損損傷局部化理理論中的關鍵鍵參數（內稟稟長度因子、、損傷演化方方程中的參數數等）的確定定和取值規律律研究都難以以進行，成為為限制其在工工程中應用的的關鍵因素。。對并行計算的的認識誤區：認為這是計計算機專業搞搞的東西，其其實這是非常常錯誤的認識識。并行計算算是和具體求求解問題關系系非常密切的的研究方向，，只有水工專專業的研究人人員參與，才才能更有效的的解決實際問問題。否則，，將導致先進進的計算機技技術在水利工工程中的應用用越來越落后后。TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩穩定分析穩定分析內容：拱壩壩肩穩定定分析邊坡的穩定分分析地下洞室的穩穩定分析…….目的：為加固分析做做準備TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩穩定分析整體穩定分析析一般通過非線線性計算是否否收斂和屈服服區進行綜合合判斷。但是是，當材料進進入非線性后后，一般很難難保證絕對收收斂。巖體工程的特特點及基礎的的不均質特性性容易造成三三維畸形網格格、高度不均均勻的材料分分區、高量級級荷載，這都都對收斂性有有很不利的影影響。難以從從收斂性上判判斷穩定。能量方法可能能是發展趨勢勢。評價標準準比較客觀。。？？？主要問題：數數值計算結果果的整理和使使用。TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩穩定分析塊體的穩定分分析－極限分分析兩大類方法：：剛體極限平衡衡法（規范中中的方法）通過分析巖體體滑塊在破壞壞那一刻的平平衡來求得滑滑塊的滑動安安全系數，來來判斷邊坡是是否穩定；該該方法概念清清晰、計算簡簡單，但是不不能考慮結構構的變形效應應，而且假定定滑動面同時時達到極限破破壞狀態，不不能反應滑動動面的真實狀狀態。有限元法（發發展趨勢）有限元方法能能給出邊坡中中的應力場和和位移場，但但是無法給出出明確的安全全系數。強度折減法綜合判斷方法法在在一定程程度上是對有有限元成果的的規范化和應應用多重網格法TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩穩定分析整體穩定分析析－余能范數數塑性應力增量量：余能范數：用來衡量整體體穩定TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩穩定分析整體穩定分析析－余能范數數TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩穩定分析多重網格法的的思路剛體極限平衡衡：通過分析析巖體滑塊在在破壞那一刻刻的平衡來求求得滑塊的滑滑動安全系數數，來判斷邊邊坡是否穩定定；該方法概概念清晰、計計算簡單，但但是不能考慮慮結構的變形形效應，而且且假定滑動面面同時達到極極限破壞狀態態，不能反應應滑動面的真真實狀態。強度折減系數法：：根據某種破壞判判據來判定系統是是否進入極限平衡衡狀態，例如限定定迭代次數、限定定節點不平衡力與與外荷載的比值大大小等。而高拱壩壩的工作特點及壩壩基不均質的特性性容易造成三維畸畸形網格、高度不不均勻的材料分區區、高量級荷載，，這都對收斂性有有很不利的影響。。難以從收斂性上上判斷穩定。將極限分析和有限限元結合起來，既既可以利用有限元元的結果，考慮非非線性應力調整和和變形的影響，又又能得到滑塊的抗抗滑穩定安全系數數。也就是說，能能同時考慮到變形形穩定和抗滑穩定定TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩定分分析基于有限元的極限限分析3個結構面（上游側側滑面F1、下游側滑面F2和上游拉裂面F3）與臨空面構成的的塊體。失穩巖體體主要承受的荷載載包括巖塊自重W，作用在結構面上上的滲透壓力U1、U2、U3和巖體抗力。考慮滑動塊體沿交交線om的滑動模式，此時時可假設拉裂面nol面拉開，不存在法法向反力R3和切向力S3，但存在滲透壓力力U3，并假設上游側滑滑面和下游側滑面面同時達到極限狀狀態且切向力S1、S2平行于交線。這些些假定意味著只有有3個未知數，R1，R2和S1＋S2，由三個力的平衡衡條件可以確定它它們。TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩定分分析基于有限元的極限限分析穩定安全系數Kc用有限元法或者有有限差分法計算塊塊體受力時，已經經考慮了滲透壓力力的作用，故而上上式中的U1、U2不予計入。另外，，計算出的上游側側滑面及下游側滑滑面切向力S1、S2的方向一般都不平平行于交線om。因此，計算滑塊塊安全度時，要根根據二者夾角，投投影到om上再進行計算。TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩定分分析基于有限元的極限限分析考慮材料分區TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩定分分析基于有限元的極限限分析滑面的安全系數－－用于分析滑動面面上的安全情況TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩定分分析基于有限元的極限限分析－多重網格格法核心思想：結構網網格和滑面網格相相互獨立，滑面上上各個結點的應力力由結構網格上高高斯點的應力插值值得到插值方法：n的取值：n＝2即可滿足要求。TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩定分分析基于有限元的極限限分析－多重網格格法要求滑面P的合力，需先將每每一個四邊形單元元分為兩個三角形形，單元力矢量為為兩個三角形上力力矢量的和。單元元中任意一個三角角形上的力矢量按按下式計算：TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩定分分析基于有限元的極限限分析－多重網格格法將滑面上各單元法法向矢量加和求平平均，即可得到滑滑面的平均法向矢矢量，然后將各單單元的力矢量加和和得到的合矢量投投影到滑面平均法法向上，即可得到到滑面的法向合力力，另一分量即為為滑面的切向合力力。由此可確定各滑面面上的面安全度及及塊體的整體安全全度。TSINGHUAUNIVERSITY2巖體工程的穩定分分析基于有限元的極限限分析－精度的影影響因素計算網格的密度網格越密，精度越越高。地形和地質質條件的精細模擬擬對大規模計算技技術提出很高的要要求。結構網格的密度與計算網格尺寸相相當時精度最高。。TSINGHUAUNIVERSITY3變形加固理論變形加固理論綜述述穩定安全分析的主主要目的之一是指指導加固設計。對對巖體工程之類的的高次超靜定結構構，加固措施的效應和和加固力對結構變變形特征極為敏感感。如擋土墻的土壓力力可視為擋土墻對對填土的加固力，，擋土墻土壓力的的發揮在很大程度度上取決于擋土墻墻和填土的相對位位移（主動、靜止止、被動土壓力））。新奧法施工適適時支護原則也說說明這一點。不同的變形狀態對對應著不同的加固固力，這和剛體極極限平衡法的基本本假設也是不相容容的。有效的加固措施必必須著眼于結構自自承能力的充分發發揮。結構自承能力的發發揮需要通過變形形來實現，自承能能力的發揮又減少少了對加固力的依依賴，這也是新奧奧法施工的原理，，擋土墻土壓力理理論也說明了這一一點。變形、穩定、加固固力三者是緊密聯聯系在一起的，孤孤立地談一方面或或兩方面是毫無意意義的。常規剛體極限平衡衡法分析不能反映映巖土結構和基礎礎的非線性相互作作用，且不能考慮慮變形機制，而且且針對的是一特定定的破壞狀態，以以此指導加固設計計是不全面，也肯肯定不是最有效的的方法。TSINGHUAUNIVERSITY3變形加固理論基于有限元的極限限分析－變形加固固理論三維非線性有限元元和有限差分分析析無疑是更全面的的一種分析方法。。但如何以變形體體彈塑性分析指導導加固設計，目前前尚沒有成熟的規規則可循，至少以以應力、位移、塑塑性區的變化來指指導加固設計現在在看起來不是很成成功（相當大的程程度上是依靠經驗驗）。這和變形體體的穩定特點有關關。在連續介介質力學學里，平平衡和穩穩定條件件都被連連續化為為成場的的概念，，分別對對應于微微元體的的平衡微微分方程程和屈服服條件，，兩者都都要求在在結構內內逐點滿滿足。有限元法法則通過過變分原原理把連連續的平平衡和穩穩定條件件凝聚到到結點上上，要求求逐節點點滿足，，所以不不平衡力力可以視視為屈服服條件在在結點上上的集中中體現。。故在有有限元分分析的框框架內，，連續結結構體的的穩定條條件就是是要求所所有結點點不平衡衡力均為為零。如如果經過過反復迭迭代計算算，仍有有殘余的的不平衡衡力，就就意味著著必須施施加一個個額外的的力（它它和殘余余的不平平衡力大大小相等等、方向向相反））才能維維持平衡衡，這就就是加固固力。TSINGHUAUNIVERSITY3變形加固固理論基于有限限元的極極限分析析－變形形加固理理論TSINGHUAUNIVERSITY3變形加固固理論基于有限限元的極極限分析析－變形形加固理理論上面是在在某一迭迭代步（（即某一一變形狀狀態）下下靜力容容許應力力場、外外荷載和和加固力力之間的的關系。。對于一一給定的的結構無無法承擔擔的外荷荷載，在在連續的的迭代過過程中，，變形、、應力場場，加固固力不斷斷發生變變化，每每一個迭迭代步所所對應的的不平衡衡力都是是一個可可行的加加固方案案（相應應于一定定的變形形）。可可以根據據變形、、穩定的的要求來來確定加加固力：：一般應應選取最最小的不不平衡力力作為加加固力。。加固力不不是惟一一的，彈彈塑性計計算所得得的殘余余的不平平衡力所所對應的的加固力力是最優優的一組組加固力力（加固固力最小小），但但變形可可能較大大；如要要限制變變位（如如拱端變變位）或或滿足其其它約束束條件，，也可得得到一組組加固力力，但肯肯定比最最優加固固力為大大。TSINGHUAUNIVERSITY4大規模計計算技術術必要性靜力問題題巖體中裂裂隙和軟軟弱斷層層等各類類地質構構造、大大型地下下洞室的的穩定、、地下廠廠房的構構造、尾尾水管內內墩子以以及地應應力的計計算，都都要求加加密網格格，以提提高精度度。動力問題題動力的時時程分析析計算量量巨大，，例如，，要計算算20秒鐘的時時程反映映，一般般要進行行幾千個個時步的的計算。。如果考慮慮各點之之間的相相位差以以及材料料和幾何何非線性性，計算算量更是是大得驚驚人。數值模擬擬問題已已經成為為理論進進一步發發展的障障礙。結構的破破壞和局局部化分分析考慮巖土土材料的的非均勻勻性和非非線性，，進行大大位移、、開裂計計算以及及局部化化分析，，都需要要進行大大規模的的計算。。有限元并并行計算算的分類類有限元計計算中的的并行性性分析數據準備單元分析集成整剛求解方程組應力求解并行性數據準備備可完全并并行分塊法和和波前法法直接法和和迭代法法可完全并并行4大規模計計算技術術有限元并并行計算算的分類類分類求解并行行只對方程程組的求求解采用用并行方方法，而而對其他他步驟均均采用傳傳統的串串行方法法區域分解解本質上是是子結構構方法。。EBE（Element-by-element）方法將一個總總體矩陣陣的向量量積轉化化到一組組單個矩矩陣的向向量積的的計算。不再集集成整剛剛和整體荷載載向量，，所有計計算均在在單元一一級上進進行。優缺點求解并行行并行實現現容易，，但當規規模增大大時，整整剛集成成的并行行實現困困難區域分解解在剖分較較好時并并行計算算效率高高。但三三維問題題的區域域分解算算法還不不成熟EBE方法可以解決內存存和并行實現現的問題，使使用方便，不不過效率可能能比區域分解解方法稍低4大規模計算技技術PFEM程序區域分解區域分解算法法：SHANG-HSIENHSIEH.EVALUATIONOFAUTOMATICDOMAINPARTITIONINGALGORITHMSFORPARALLELFINITEELEMENTANALYSIS.InternationalJournalforNumericalMethodsInEngineering,1997,40:1025~1051FETI（FiniteElementTearingandInterconnection）方法：K.C.Park,ManoelR.Juitino,JR.,CarlosA.Felippa.AnAlgebraicallyPartitionedFETIMethodForParallelStructuralAnalysis:AlgorithmDescription.InternationalJournalforNumericalMethodsInEngineering,1997,40:2717~2737ManoelR.Juitino.,JR,K.C.Park,CarlosA.Felippa.AnAlgebraicallyPartitionedFETIMethodForParallelStructuralAnalysis:PerformanceEvaluation.InternationalJournalforNumericalMethodsInEngineering,1997,40:2739~2758FarhatC.,LesoinneM,LeTallecP,PiersonK,RixenD.FETI-DP:adual-primalunifiedFETImethod-partI:afasteralternativetothetwo-levelFETImethod.InternationalJournalforNumericalMethodsInEngineering,2001,50(7):1523~1544DanielJ.Rixen.ExtendedpreconditionerfortheFETImethodappliedtoconstrainedproblems.InternationalJournalforNumericalMethodsInEngineering,2002,54:1-264大規模計算技技術并行計算的研研究現狀CrayX-MPCrayY-MPFujitsuVPP500YH-2IBMSP2網絡機群高性能計算機機的通訊系統統：100M\1000M以太網、Myrinet、SCI、Quadrics、Infiniband高性能所機群群系統網絡機群4大規模計算技技術有限元并行計計算的研究現現狀國外的發展:BLACS（BasicLinearAlgebraCommunicationSubprograms）：BLAS的一個并行版版本LINPACK：LAPACK的并行版本PIM（ParallelIterativeMethods）：Fortran77的一個并行函函數庫PETSC（PortableExtensibleToolkitforScientificComputation）最近兩年國內內并行軟件的的發展也取得得很大的發展展:飛箭公司：武漢巖土所：：RsmVPC集成化并行計計算環境（基基于Windows和PVM）石油科學院：：做了很多工工作，具體不不詳清華大學：TFINE.Pfem程序，巖體工工程結構分析析并行計算的軟軟件方面4大規模計算技技術有限元并行計計算的研究現現狀通用有限元軟軟件方面：MARC：區域分解方法法，提供圖形形界面，用戶戶可以進行手手工剖分。操操作不方便，，而且很難達達到一個計算算任務的均衡衡。ANSYS：多重網格（Multigrid）求解器，主要用于流體動力學方方程。NASTRAN和ABUQUS：具體算法不詳詳細。4大規模計算技技術三維有限元并并行計算面臨臨的困難使用上的考慮慮使用上應該方方便計算任務的分分配如何將計算任任務分配到每每個計算節點點上，并保持持計算任務的的平衡？分布內存并行行機上的并行行實現如何解決內存存的使用問題題？當規模增增大時，怎樣樣將剛度矩陣陣保存在每個個計算節點上上？關鍵問題：存儲和計算任任務在分布存存儲并行機上上的實現。4大規模計算技技術TFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序簡介TFINE.Pfem（ParallelFiniteElementMethod）程序是采用EBE策略的有限元元程序，使用用C/C++語言開發。TSINGHUAUNIVERSITY4大規模計算技技術TFINE.Pfem的計算流程TFINE.Pfem（ParallelFiniteElementMethod）是基于TFINE三維有限元計計算程序，采采用EBE策略的有限元元程序，使用用C/C++語言開發而成成TFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序簡介－－－運行環境TFINE.Pfem程序及其驗證證程序驗證矩形截面懸臂臂梁TFINE.Pfem程序及其驗證證程序驗證厚壁圓筒內壓應力分布規律TFINE.Pfem程序及其驗證證程序驗證厚壁圓筒內壓位移分布圖（a）理論值和計算算值沿徑向分分布曲線，（（b）整體位移等值值線圖（a）（b）TFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序的計算效效率普通方法EBE方法EBE方法和常規方方法的迭代次次數對比TFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序的計算效效率EBE方法和常規方方法的計算時時間對比與常規方法相比比，EBE方法的迭代次次數減少，同同時計算量也也減少TFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序的計算效效率EBE方法和常規方方法的內存需需求對比均采用8節點6面體單元：EBE方法：12520××300（單元剛度矩陣陣只存儲上三三角）二維等帶寬存存儲：14753××3×2200EBE方法只占二維維等帶寬存儲儲的4％左右單元總數：12520節點總數：14730700m700m1000m294m255m305m330mTFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序的計算效效率并行效率分析析－矩形截面面懸臂梁TFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序的計算效效率并行效率分析析－矩形截面面懸臂梁（％）TFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序的計算效效率并行效率分析析－二灘拱壩壩－地基系統統的有限元數數值模擬有限元網格：：20879個節點17980個單元單元類型：8節點六面體單單元6節點五面體單單元壩體和地基共共包含31種材料計算模擬了施施工的過程：：（1）使用地基自自重來模擬地地應力（2）計算壩體自自重情況下的的應力和位移移（3）計算水載作作用下的應力力和位移二灘的有限元元計算網格（（其中不同的的顏色表示不不同的材料））TFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序的計算效效率并行效率分析析－二灘拱壩壩－地基系統統的有限元數數值模擬單機計算效率率－與FLAC-3D的比較（單位位：s）TFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序的計算效效率并行效率分析析－二灘拱壩壩－地基系統的有限元元數值模擬并行計算效率率采用了1～16個CPU進行計算TFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序的計算效效率并行效率分析析－二灘拱壩壩－地基系統統的有限元數數值模擬EBE方法的計算任任務分配的本本質問題區域分解TFINE.Pfem程序及其驗證證TFINE.Pfem程序的開裂計計算數值算例－－－四點彎曲梁梁錦屏邊坡的穩穩定和加固分分析（自由度150萬，使用16個CPU）錦屏拱壩的大大規模數值計計算（自由度107萬，使用16個CPU）水布埡地下洞洞室的并行數數值計算（自由度70萬，使用16個CPU）二灘拱壩的開開裂分析（自由度47萬，使用8個CPU）工程算例TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電電站高邊坡穩穩定和加固措措施研究工程概況錦屏一級水電電站位于四川川省涼山彝族族自治州鹽源源縣和木里縣縣境內，是雅雅礱江干流上上的重要梯級級電站，壩址址位于鹽源縣縣洼里鄉下游游普斯羅溝與與手爬溝間1.5km長的河段上。。攔河大壩為為混凝土雙曲曲拱壩，壩高高305m，水庫庫容77.6億m3，電站裝機容容量3600MW，年發電量166.2億KW.h。錦屏一級水電電站工程規模模巨大，開挖挖邊坡最高達達200～300m。壩址區斷層、層層間擠壓錯動帶、、節理裂隙等構造造結構面發育，特特別是壩區左岸坡坡體內存在的深部部裂縫，走向與岸岸坡近于平行，陡陡傾坡外，松弛張張開顯著，對邊坡坡穩定不利。因此此，詳細查明工程程邊坡開挖區的工工程地質條件，研研究邊坡巖體可能能出現的破壞形式式及其在地震、霧霧化等工況下的穩穩定性，對合理選選取開挖坡比和支支護方案，確保施施工期和運行期工工程安全具有十分分重要的意義。TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站高高邊坡穩定和加固固措施研究TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站高高邊坡穩定和加固固措施研究錦屏山TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站高高邊坡穩定和加固固措施研究TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站高高邊坡穩定和加固固措施研究錦屏一級水電站高高邊坡穩定和加固固措施研究

樞紐紐區左岸高邊坡全全貌1960m2402m2038m2146m2284m2230m2105m2056m2100m1970mf8f53(4)厚層砂巖夾板巖1961m3(6)厚層砂巖厚60-80m1930m3(5)板巖厚45-50mX2120m2050m2080m2090m2020m3(4)1970m開口線處巖性纜機平臺1960m壩頂高程1885m拱肩槽開口線●PD38●PD48●PD42●PD64●PD18●PD54●PD66●PD40●PD12●PD30●PD36●PD10順坡裂隙延伸長、、連通程度較高。。順坡裂隙延伸短、、連通程度較低。。Ⅳ＃梁下游側強卸荷帶表層順坡裂隙的垂直分分帶性NNE組順坡裂隙的發育育特征：●在強卸荷表層順坡坡裂隙延伸較長、、貫通程度高，使使坡體結構呈現順順向坡；以里延伸伸短小、貫通程度度低；●在Ⅳ＃梁，順坡裂傾角一一般較陡(65-75°°)，少數較緩(45-50°°)；●在Ⅳ＃梁還隨高程表現出出一定的垂直分帶帶性(見右圖)。NNE組順坡裂隙3(6)厚層砂巖巖需清理的危石3(5)粉砂質板板巖危巖體N60W向(卸荷)陡裂隙隙層面裂隙PD33＃主洞口9#公路順傾邊坡中的楔形形體滑動TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站高高邊坡穩定和加固固措施研究危巖體小的危巖體需要對對地形地貌進行精精細的模擬，然后后采用數值方法進進行計算。TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站高高邊坡穩定和加固固措施研究錦屏一級水電站高高邊坡穩定和加固固分析錦屏一級水電站的的開挖邊坡最高達達200～300m。壩址區斷層、層層間擠壓錯動帶、、節理裂隙等構造造結構面發育，特特別是左岸坡體內內存在的深部裂縫縫，走向與岸坡近近于平行，陡傾坡坡外，對邊坡穩定定不利。139536個單元149585個節點計算采用Drucker-Prager屈服準則，模擬了了整個開挖過程，，從纜機平臺開挖挖一直模擬到拱肩肩槽完全開挖完成成，共包含17個開挖步。采用擬擬靜力法考慮橫河河向地震荷載，峰峰值加速度為0.1g。左岸開挖步驟16個開挖步Gravity（地應力）▽2080▽2060▽2040▽2020▽2000▽1980▽1960（纜機平臺）▽1885（壩頂高程）▽1870▽1830▽1790▽1750▽1710▽1670▽1630▽1600▽1580計算模型和計算工工況變形拉裂體與煌斑斑巖脈和f5斷層計算模型和計算工工況f42-9上的抗剪洞變形拉裂體TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站高高邊坡穩定和加固固措施研究屈服準則巖體強度采用Drucker-Prager屈服準則（D-P準則）和抗拉屈服服準則（混凝土和和巖體為低抗拉材材料，故應有抗拉拉準則）TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站高高邊坡穩定和加固固措施研究屈服準則與剛體極限平衡法法不同，在三維非非線性有限元穩定定分析中，穩定性性表現為彈塑性分分析解的收斂性。。高拱壩及壩肩的的特點宜于造成三三維畸形網格、高高度不均勻的材料料分區、高量級荷荷載，這都對收斂斂性有很不利的影影響。TFINE程序采用了基于D-P準則的迭代算法和和積分策略，提高高了數值穩定性。。該方法可有效改改善計算的收斂性性，并確保計算收收斂到正確解上。。并在此基礎上發發展出一種基于非非線性規劃的有限限元極限分析方法法，可大幅度減少少優化變量，克服服“維數障礙”。。該算法已被集成成在TFINE及TFINE.Pfem程序內，并被用用于研究拱端力力在超載過程的的非線性分布規規律。TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站站高邊坡穩定和和加固措施研究究地應力回歸三維初始地應力力場的多元回歸歸分析方法：線線性疊加回歸結果滿足屈屈服條件的非線線性校正對各因素影響按按線彈性計算，，經線性疊加得得到的回歸分析析結果，并不能能保證回歸所得得到的初始地應應力場內各點的的應力狀態都能能滿足塑性屈服服條件。這時就就需要對回歸結結果進行校正，，讓初始地應力力場內各點的應應力狀態都滿足足塑性屈服條件件，從而使初始始地應力場的分分析結果更加合合理。回歸結果滿足平平衡條件的非線線性校正有限元分析計算算求得的應力場場不但滿足整體體平衡，而且在在內部節點也滿滿足平衡條件。。材料參數的確定定參數的確定完全全依據成勘院《可行性研究報告告》的工程地質報告告。根據《錦屏一級壩基巖巖體質量分級表表》和《壩區結構面按性性狀分類表》進行確定（1）各類巖體參數數的確定各類巖體參數的的確定采用加權權平均的方法，，主要根據巖體體質量分級表中中提供數據確定定。巖體變模的確定定將平行于于結構面和垂直直于結構面變模模的數值加權后后取平均值。f和c的確定采用用《壩基巖體質量分分級表》提供的數據。容重的確定主主要參考《壩區新鮮巖塊物物理力學性質匯匯總表》。（2）各類結構面參參數的確定各類結構面參數數依據《壩區結構面按性性狀分類表》中代表性結構面面項和《壩基巖體質量分分級表》中的巖級分布位位置項的描述，，從而判斷出結結構面所屬的巖巖級種類，最終終確定其力學參參數。材料參數的確定定計算工況工況1：在自重應力場場情況下，模擬擬開挖過程；工況2：地基材料參數數f和C降低1.3倍，進行開挖過過程的模擬；工況3：在回歸地應力力場情況下，模模擬開挖過程；；工況4：完全開挖后，，按擬靜力法施施加橫河向的動動力荷載；工況5：完全開挖后，，模擬滲流場施施加滲壓荷載；；工況6：考慮錨索加固固（錨索長度為為70m）情況下的開挖挖過程模模擬；工況7：考慮錨固洞加加固影響的開挖挖過程模擬；工況8：變形體f5外側鎖固段巖體體完全挖除的敏敏感性分析。計算荷載（1）自重：按照地地質報告提供的的參數進行計算算；（2）滲壓：上游水水位為正常蓄水水位1880.0m，下游水位取1640.0m，中間壩體部位位考慮防滲帷幕幕的影響，水頭頭采用線性過渡渡；（3）動力荷載：設設計地震烈度7度，只考慮橫河河向加速度0.1g，按照擬靜力法法施加動力荷載載。TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站站高邊坡穩定和和加固措施研究究錦屏一級水電站站高邊坡穩定和和加固分析左岸邊坡穩定的的關鍵塊體有兩兩個：滑移塊1左岸的NNW向裂密帶＋煌斑斑巖脈＋f42-9斷層滑移塊2左岸的NNW向裂密帶＋卸荷荷裂隙＋f42-9斷層TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站站高邊坡穩定和和加固措施研究究錦屏一級水電站站高邊坡穩定和和加固分析網格密度對結果果的精度影響分分析不加密網格（單單元數目為17442）加密網格（單元元數目為139536）TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站站高邊坡穩定和和加固措施研究究錦屏一級水電站站高邊坡穩定和和加固分析并行計算效率分分析TSINGHUAUNIVERSITY5錦屏一級水電站站高邊坡穩定和和加固措施研究究錦屏一級水電站站高邊坡穩定和和加固分析整體穩定評價完全開挖邊坡△E1＝113.4，和天然邊坡△E1＝95.1相比，穩定性略略低。注意天然然邊坡在降強1.05時△E1＝106.7，由此大體可以以說明：就整體體穩定性而言，