考虑水力劈裂效应的重力坝坝踵裂缝稳定分析.pdf

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1、第41卷第8期人民长江Vo1．41．No．82010年4月YangtzeRiverApr．，2010文章编号：1001-4179(2010)08—0086—03考虑水力劈裂效应的重力坝坝踵裂缝稳定分析李宗利，王锦丽，刘霞(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100)摘要：混凝土重力坝坝踵开裂是重力坝常见的现象，由于高坝缝内存在较高的扬压力，水压的劈裂作用有可能驱使裂缝进一步扩展，严重影响坝体的安全性。基于大型有限元分析软件，建立重力坝数值分析模型，人为在坝踵附近设置不同深度的裂缝，分析不同位置、不同裂缝深度、不同缝内水压分布作用下裂缝的稳定性，以分析水力劈裂效应。研究

2、结果表明，坝踵附近裂缝多处于压剪复合断裂模式，但在缝内高水压作用下，有可能变为拉剪复合断裂，也极易失稳扩展；随着裂缝长度的增加，水力劈裂效应愈加显著。关键词：坝踵开裂；裂缝稳定性；水力劈裂；混凝土重力坝中国法分类号：TV642．3文献标志码：A我国混凝土重力坝设计规范中明确规定，在运用重力坝坝踵附近由于各种原因，不同程度存在着期除地震荷载外的各种荷载组合下，沿建基面坝踵部裂缝，这些裂缝在高压水作用下的稳定性关系到坝体位及上游面垂直应力不容许出现拉应力¨J。这种无整体的安全度。本文基于大型有限元分析软件，建立拉应力设计思想从1881年英国格拉斯哥大学的重力坝数值分析模型，人为地在坝踵

3、附近设置不同深I．MRankine在评论法国工程师们提出的重力坝设计度的裂缝，分析不同位置、不同裂缝深度缝内水压的水理论时就被提出并一直沿用到现在。但已建成的重力力劈裂效应，以期对高重力坝的安全度评估提供理论坝运行监测表明，绝大多数坝体在坝踵部位不同程度基础。产生了裂缝J。文献[2—4]根据我国5座重力坝1模型建立的坝踵应力观测资料，对坝踵裂缝的产生原因进行详细的分析。分析认为坝踵裂缝主要产生于施工期的温某混凝土高重力坝断面如图1所示，坝高190m，度应力，并不是由水库蓄水的水压力产生的。但是，由顶宽7．5m，底宽144m，上游坡面垂直，水头182．5于坝踵水平裂缝的存在，库水压力

4、在缝内形成比较大m。下游坡面系数m=0．78，水头36．5m。有限元二的扬压力，尤其是高坝，缝内水的压力将驱使裂缝的失维计算模型中，基础范围水平方向以重力坝中心为界，稳扩展，过长的裂缝将导致坝体的刚度下降，安全度降从坝踵向上游延伸400m，从坝趾向下游延伸400m，低。文献[5]应用断裂力学研究了高重力坝库水压力共计944m；铅直向取为2倍坝高。按弹性平面应变对坝踵裂缝的水力劈裂深度的影响；文献[6]比较了问题分析。两种应力强度因子计算方法，并应用于混凝土坝的裂坝体混凝土弹性模量取20GPa，泊松比取0．167．缝稳定分析；文献[7]仅研究了坝踵开裂对坝体的静重度取24kN／m；坝

5、基岩体弹性模量取16GPa，泊松力学性能的影响；文献[8]研究了地震荷载作用下坝比取0．3，重度取25kN／m。分析中考虑的主要荷载踵裂缝内动水压力大小；而文献[9]分析了地震荷载有坝体自重、上下游面水压力。作用下坝踵的裂缝应力强度因子，但未考虑缝内水压有限元分析采用四边形4节点等参平面应变单的影响。元，模型共计节点4720个，单元4558个。地基侧向收稿日期：2009—09—16基金项目：国家自然科学基金(50779057)作者简介：李宗利，男，教授，博士，主要从事水工结构方面的研究。E—mail：zongli01@tom．com第7期李宗利，等：考虑水力劈裂效应的重力坝坝踵裂缝

6、稳定分析87施加水平约束，地基底边设为固定约束。缝尖端的距离；n为计算外推点的个数。2．2裂缝失稳准则由于坝体上游面既有拉(或压)应力，也存在剪应力，裂缝处于拉剪或压剪复合断裂模式。本文采用最大周向应力理论计算等效强度因子。，其计算式为：Kq=cos詈[KI(1+cos0)一3KⅡsin0](3)式中，0为裂纹扩展角，其计算式为：⋯arctan(4)图1坝体断面尺寸(单位：m)由此，裂缝失稳判据为：为了研究裂缝在不同位置、不同深度及不同水压K=。KI。(5)分布时的稳定性，人为地在坝踵区域和坝体与地基交式中，K为I型断裂韧度，坝体混凝土的I型断裂韧接面部位设置宽度为0．1mm、不同

7、深度的初始裂缝。度为3MPa·m，由于建基面处裂缝已属于两种材料通过修改裂缝区域局部网格，模拟裂缝扩展过程。计的接触缝，其断裂韧度目前缺乏试验数据，在此假设与算中不考虑水流渗入裂缝引起的坝体及坝基岩体内渗混凝土坝体的相同。流场的改变，只考虑水流在裂缝面的劈裂作用。3结果分析2断裂力学分析理论3．1不同裂缝位置的裂缝稳定性不考虑水流渗入裂缝引起的坝体及基础岩体内渗2．1裂尖强度因子计算流场的变化，只考虑裂缝内水流劈裂作用影响，分别计在有限元计算结果中位移的精度通常比应力