地震作用下混凝土重力坝破坏过程与破坏形态数值仿真

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1、水利学报2011年10月SHUILIXUEBAO第42卷第10期文章编号：0559-9350（2011）10-1209-09地震作用下混凝土重力坝破坏过程与破坏形态数值仿真李晓燕，钟红，林皋（大连理工大学建设工程学部，辽宁大连116024）摘要：在考虑混凝土材料细观非均匀性影响的基础上，探讨了在材料参数和地震动等不确定性因素影响下混凝土重力坝的破坏过程和破坏形态。通过对金安桥混凝土重力坝的180个样本的非线性数值模拟统计分析，得到了不同水平地震作用下的大坝损伤破坏情况，并提炼出4种典型的破坏形态。计算结果表明随着地震动的增大，大坝损伤总体上趋于严重，但也存在高地震动

2、水平下轻微损伤的情况。典型的破坏形态除了坝头折断、坝踵开裂以外，还发现了下游面起裂、贯穿至上游的情况，且随着地震峰值加速度的增大而越发明显。这对于全面了解重力坝地震损伤的薄弱环节，优化抗震措施提高大坝抗震能力是十分有意义的。关键词：混凝土重力坝；非均匀性影响；破坏过程；破坏形态；数值模拟中图分类号：TV312文献标识码：A1研究背景重力坝由于结构简单、安全可靠、对地形地质条件适应能力强、枢纽泄洪问题容易解决和便于施工导流等特点，成为被广泛采用的坝型。近期我国正在建设及即将建设的高大重力坝大多建在地震高发区，如金安桥（设计地震加速度0.399g）、龙开口（0.394g

3、）、阿海（0.344g）等，因此，大坝的抗震安全是必须解决的关键技术问题之一。传统的基于线弹性分析的设计方法无法满足大坝在强地震作用下的安全性能评估的要求，研究重力坝的地震破坏过程和最终的破坏形态，可以使抗震安全评价工作更为全面可靠，对于大坝的设计优化和抗震加固决策具有重要意义。重力坝遭受实际震害的资料很少，最为典型的是印度的Koyna重力坝。1967年，在距大坝2.4km处发生6.5级强震，实测坝基加速度为：坝轴向0.63g，顺河向0.49g，竖直向0.34g。地震使得大坝头部转折处出现了严重的水平裂缝，漏水现象严重。此后，以Koyna大坝为例，有关混凝土重力坝地

4、震响应的研究发展很快。这些工作大致可以分为两类：一类是采用连续介质力学方法研究大坝的渐进［1］损伤过程。比如YusufCalayir等采用损伤力学方法，假定损伤为二阶张量的形式，并考虑应变软［2］化，研究了损伤对Koyna坝地震响应的影响；Mirzabozorg等用弥散裂纹模型对混凝土重力坝进行了［3］动力损伤分析，获得了裂缝在坝体内的发展情况；邱战洪等考虑了坝基脆性引起的动力损伤，分析［4］了大坝上游迎水面、坝踵、坝趾附近基岩内的损伤分布；Yazdchi等采用有限元-边界元耦合方法研［5］究了Koyna大坝在地震激励下的损伤发展；王光纶等采用固定裂缝模型，通过裂尖

5、的网格重剖分使［6］得裂纹平行于单元最大主应力方向，模拟了Koyna大坝裂纹的扩展过程；沈怀至等在线弹性动力分析与弹塑性损伤力学分析基础上，讨论了6条地震波作用下Koyna重力坝的损伤分布，初步建立了一［7］个重力坝地震破坏评价模型。另一类是采用非连续方法研究大坝的动力响应和裂纹扩展。Pekau等应用离散元方法模拟了Koyna大坝的破坏过程，并分析了不同裂缝方向角度对坝体安全的影响；林皋［8］等在改进DDA三维接触判断算法的基础上，研究了Koyna大坝头部和三维楔形滑动体的地震动态失收稿日期：2010-03-02基金项目：国家自然科学基金重点项目（51009019；

6、90510018；90915009）；国家“973”计划项目（2007CB714107）作者简介：李晓燕（1985-），女，山东烟台人，硕士生，主要从事大坝地震风险分析研究。E-mail：lixiaoyan0908@126.com—1209—［9］［10］稳过程。除Koyna坝以外，还有以别的重力坝或虚拟坝为例的研究（Mehdi，Faouzi）。其中张仲［11］卿在碾压混凝土重力坝破坏机理研究中指出碾压混凝土重力坝与常规混凝土坝一样，在超载时首先从坝踵附近开裂。一般说来，以上这些研究工作将容易损伤开裂的区域，包括坝头部折坡处以及坝踵附近，剖分为较密集的细网格，大坝其

7、他区域采用较粗的网格，甚至直接假定裂缝的位置和形状。由于有限元方法的网格敏感性，这种做法相当于人为指定了裂缝可能的发展区域，使得裂缝无法在坝体其他区域包括同是高应力部位的上下游坝面产生和发展。这种做法不利于研究重力坝的破坏过程和破坏形态。因为即使是Koyna重力坝，裂缝也并不限于坝头折坡处；模型试验也常观察到上下游坝面开裂的［12］现象。此外，以上基于连续介质损伤力学的方法往往仅得到坝体损伤区域的分布，却无法模拟裂缝的扩展过程；基于断裂力学的方法只能考虑单条或少数几条主干裂缝，且计算复杂。以上的研究都是将大坝看作宏观上均质的材料。实际上，混凝土在细观层次上可以认