坝体裂缝对拱坝承载力的影响

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1、2011年第6期东北水利水电规划设计［文章编号］1002－0624（2011）06－0007－02坝体裂缝对拱坝承载力的影响严成斌，向贤镜（中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵州贵阳550081）［摘要］文章以下涧口水库拱坝的相关数据，选取单位高度拱圈作为研究对象，采用有限元法，应用ANSYS通用计算软件进行模拟计算分析。从拱圈开裂后出现的裂缝条数的变化，拱圈中心角的改变、跨度不同等，多方面分析裂缝对拱圈承载能力的影响。得出裂缝对拱圈的承载能力有所降低，单边开裂对拱圈承载能力降低最为明显，但裂缝数量的增加对

2、拱圈的承载能力影响较小，拱坝开裂基本不影响其继续使用。［关键词］拱坝裂缝；承载能力；接触单元［中图分类号］TV642.4［文献标识码］B1概述在我国六七十年代，兴建了一大批拱坝，拱坝在地方水利建设中发挥了显著作用。但由于当时科技水平的限制，很多拱坝在设计、施工以及地质勘测上都存在缺陷，导致了一系列病害问题的出图1单位厚度拱圈有限元模型示意图现，而其中比较普遍的一种就是拱坝产生竖向裂3计算结果与分析缝，但很多拱坝开裂后能继续使用。大家普遍认为1）拱圈的承载能力确定。应用大型有限元软拱坝的开裂会降低其承载能力，但

3、降低的幅度未件ANSYS进行建模及计算分析。通过计算分析发见明确解答。拟结合实际工程进行分析，对坝体裂现，结构的极限承载能力能够用简单且直观的判缝降低拱坝承载力进行评价。断方法塑性区贯通法直接判断得出，也可通过位2计算模型移突变法确定。用这两种方法都能比较方便而又有限元计算分析软件ANSYS自带有接触单有效地判定拱圈的破坏状态。现采用位移突变法元，应用其中的面－面接触单元模拟块体与块体之来判断拱圈极限状态，表1列出了某拱圈最大径间的结合面。计算模型选取下涧口水库高程向位移与超载系数关系。704.46m到705

4、.46m，高度为1m，厚度为4m，根据表1数据绘制，超载系数与最大径向位中心角为110°的单位厚度拱圈为例，假设拱圈的移关系曲线如图2所示。图中右侧的图例分别为：上下游都是垂直的，即拱圈是等厚的，在上游面受0代表原拱没有开裂，1，2，3，9分别代表拱圈裂缝到均布荷载的作用。此次计算采用单位高度的拱的条数。圈，将整个拱坝作了很大简化，仅考虑拱向的作在图2中，在无裂缝至多条裂缝下拱圈的超用，而忽略梁向，因此在计算分析中主要考虑上游载系数与最大径向位移关系曲线，都有一个曲率水荷载，荷载的大小为高程704.96m处正

5、常水位的转折点。也即位移由线性增加到偏离线性而急时水荷载的值，计算模型如图1。剧增长的一个临界点。位移突变法的观点认为，拱·7·规划设计东北水利水电2011年第6期表1最大径向位移与超载系数关系表cm2）单个拱圈影响分析。根据以上方法单个拱原拱单边开裂对称开裂3条裂缝9条裂缝圈在各种情况下的超载系数分别为：原拱不开裂超载系数位移超载系数位移超载系数位移超载系数位移超载系数位移时约为3.8～3.9，单边开裂时3.6～3.7，对称开裂时10.7110.8510.7210.7210.723.5～3.6，3条裂缝时3

6、.5～3.6，9条裂缝时3.5～3.6。1.51.061.51.071.51.071.51.071.51.08裂缝条数对拱圈的承载能力与原拱比较降低百分21.4321.4321.4321.4321.43数，见表2。2.51.812.51.792.51.792.51.792.51.79表2单个拱圈裂缝数承载力降低百分数%32.2132.1632.1632.1532.183.53.223.53.653.55.433.55.443.55.46裂缝数单边开裂对称开裂3条裂缝9条裂缝46.3846.5646.5446.

7、5546.56降低百分数5.197.797.797.79拱圈开裂对其承载能力有所降低，单边开裂对拱圈的承载能力与原拱比较，降低了5.19％，2条裂缝至9条裂缝降低了7.79％，拱圈开裂后，破坏了其整体性，其承载能力有所降低，但随着裂缝数量的增加，拱圈逐渐形成了分块结构，块与块之间能传递应力，其承载能力就不再降低。3）中心角不同的影响分析。为了对不同拱形的坝体裂缝作一个系统的分析研究，现以下涧口水库砌石拱坝高程704.46m的拱圈作为参考，固坝极限状态与拱坝由位移缓慢增长到急剧增大的定拱的跨度、拱圈的厚度以及荷

8、载情况不变，改变临界点相对应。详细研究拱圈在各受力阶段的位拱的中心角。在厚度相同，跨度相同，中心角不同移和破坏情况后发现，当压力超载系数小于临界的情况下对拱圈进行分析。中心角选取的范围为值时，拱圈上只产生有限的破坏；而当超载系数超80°～120°。选取跨度60m，并参照其它工程再选取过临界值时，拱圈上出现很大的塑性区，拱圈实际跨度100m和150m的拱圈作为研究对象，作同上己丧失了继续承载的能力。因