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1、24水力发电2002年第7期文章编号:05599342(2002)07002405设缝高拱坝的整体安全度和破坏机理研究杜成斌(河海大学土木工程学院,江苏南京210098)关键词:高拱坝;周边缝;底缝;整体安全度;超载;降低材料强度;破坏形式;破坏机理摘要:为探讨设缝拱坝的整体安全度和可能的破坏形式及破坏机理,对坝体混凝土、缝和坝基材料采用了不同的非线性材料模型,并用增大水容重和降低坝基交界面或缝面材料强度储备两种方法对未设缝高拱坝、设部分周边缝高拱坝和底缝高拱坝的破坏形式、过程进行研究。结果表明,三种坝型的整体安全度由大到小的顺
2、序为:未设缝拱坝、部分周边缝拱坝和底缝拱坝;破坏均是从坝体与垫座交界面上游侧开裂开始,向下游扩展,最终下游侧为屈服破坏。拱冠上、下游侧附近首先出现屈服,然后向下、向左右两侧扩展。底缝拱坝在垫座内的开裂最为严重。中图分类号:TV131文献标识码:A1985年南非学者OConnorJPF曾对伦敦土木1计算模型工程师协会设计的五型拱坝用预留开裂单元方法研究了坝基周边开裂对拱坝位移和应力的影响,研究11接缝模型表明,最大裂缝发生在坝踵附近,缝宽达12mm,如对接触面法向应力变形关系,借鉴BandisSC果再考虑缝中静水压力的作用,缝宽大约增
3、加6岩石节理法向变形的双曲线模型[1]k2mm。我国学者汝乃华等(1988、1995年)曾对梅花zz=kzz0/(1+zz)(1)周边缝拱坝和拱坝的上滑问题进行过研究,研究得式中,kzz为接触面法向刚度;kzz0为接触面法向初出梅花坝是由于周边缝面抗剪强度不足而引起上滑始刚度,可取kzz0=E(1-),E,分别为[2,3](1+)(1-2)失稳破坏。奥地利学者Rescher(1993年)运用二填充材料或相邻接触体的弹性模量和泊松比;zz为维线弹性有限元对宽河谷拱坝坝踵附近的应力状态缝面法向相对变形。接触面切
4、向应力应变关系,采[4]进行了研究,研究中考虑了上游设底缝及排水廊用应变硬化的双曲线模型,即CloughGW和Duncan道布置的影响,得出由于底缝的存在使得缝面抗剪JM70年代提出的-双曲线模型。详见文献强度不足,材料的剪切变形使得坝基附近的应力场[9]。发生重分布,会导致岩基(坝基)材料出现松动、岩基12坝体混凝土、坝基材料的破坏准则中裂缝的形成和扩展等结论。实际上拱坝是三维结本文采用WFCHEN1982年提出的能较全面构,将其简化为二维计算与其实际受力状态相差较反映混凝土破坏曲面特征的四参数弹塑性-断裂模大,而且也不太可能仅发生
5、在坝踵处的底缝的滑移型。破坏,除非两侧的坝体已发生破坏。本文在对周边其破坏准则为[5,6,7]缝、底缝高拱坝工作性态、设缝对防止高拱坝坝踵开裂的影响[8]等研究基础上,采用增大水容重收稿日期:20020427基金项目:国家自然科学基金资助项目(59739180)和降低坝基交界面或缝面材料强度储备的方法,分作者简介:杜成斌(1965),男,江苏盐城人,教授,博士,从事析研究设缝高拱坝的整体安全度和破坏机理,并与水工结构工程中力学问题的研究无缝高拱坝的结果进行比较,探讨设缝拱坝的可能破坏形式和破坏机理。杜成斌:设缝高拱坝的整体安全度和破坏
6、机理研究25J2达545MPa,梁向拉应力达375MPa;设缝之后,最F=A+BJ2+C1+DI1-fc(2)fc大主拉应力有较大下降,只有15MPa左右。设缝式中,F为坝体混凝土材料的破坏准则(破坏曲面)后由梁向承担的一部分荷载转由拱向承担,使得上的函数表达式;I1为应力张量的第一变量;J2为应游面最大拱向压应力增大,由-15MPa左右增大力偏量的第二不变量;1为最大主拉应力;fc为单至-663MPa左右。两种设缝拱坝的应力状态比轴抗压极限强度;材料参数A、B、C、D由特征强较接近,是因为底缝拱坝未设缝的周边部分也开裂度、二轴等压
7、和三轴抗压等数值标定。形式有开裂[8]成了周边缝的样式。破坏、压毁破坏和混合破坏三种。小湾拱坝未设缝时,在坝基附近的垫座内出现坝基包括岩石和断层、节理等。岩石材料的破较大范围的开裂和屈服,设置周边缝时,垫座内的开坏准则采用最大拉应力准则和Drucker-prager准裂和屈服明显减少;设置底缝时,坝踵附近的开裂和则,断层和节理的破坏准则采用最大拉应力准则和屈服明显减少,但在设缝两侧,尤其两侧缝端附近,[5]Mohr-Coulomb准则。由于缝面开裂引起的应力重调整,未设缝处受到的剪切应力增大(方向向下游),引起该处附近屈服现2周边缝、底缝设计和
8、拱坝系统离散[8]象比无缝情况更为严重。以小湾拱坝为例,该坝为混凝土双曲拱坝。坝4设缝拱坝的整体安全度和破坏机理顶高程为12450m
