高碾压混凝土拱坝横缝开度对拱坝安全的影响.pdf

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1、第21卷第1期红水河Vol.21，No.1高碾压混凝土拱坝横缝开度对拱坝安全的影响韩晓凤，张仲卿（广西大学土木工程学院，广西南宁530004）摘要：考虑混凝土材料非线性和横缝接触非线性，对沙牌拱坝进行结构分析，研究横缝下游宽度变化对拱坝工作性态的影响。计算结果表明，横缝下游宽度达到2mm以上，坝体应力恶化，将会危害到拱坝的安全。关键词：横缝开度；接触非线性；碾压混凝土拱坝中图分类号：TV642.4；TV698.1+1文献标识码：A文章编号：1001-408X（2002）01-0016-04维固体单元1264个，横缝接触单元96个。!引言二、三十年代，最早注意到拱坝的开裂问题的美国工程师们指出：

2、“裂缝的产生，不论在坝上或地基之间，都对坝的工作性能和安全运行无重大影响。然而，这种裂缝在什么条件下能允许出现，以及发展到什么程度才不致影响安全，都还不清楚。”拱坝裂缝的发展必须引起重视，裂缝发展到什么程度才不图!三维有限元计算模型图致影响安全的定量问题有待解决。坝体的横缝与垂#横缝的数值模拟直裂缝的影响相似，尽管经过灌浆处理，其中一部分，特别是缝的上部，仍会随气温的年变化而张合，计算中有限元模型坝体设2条横缝，分别从左在荷载作用下，横缝受弯矩影响上游窄而下游宽。右拱端高程1810.0m向上延伸至坝顶，横缝的位本文以目前世界上最高的碾压混凝土拱坝———我国置及网格剖分见图2。横缝的数值模拟采用

3、离散裂四川沙牌拱坝（坝高132m，国家“九五”重点科技攻缝模型，在缝的两侧坝体单元表面定义接触单元，一关项目依托工程）为例，考虑混凝土材料非线性和横侧为接触面单元，另一侧为目标面单元，缝面一侧的缝接触非线性，研究未灌浆横缝下游缝宽变化时对接触单元见图3。拱坝工作性态的影响，说明垂直裂缝宽度与坝体应力、变形的关系。"有限元计算模型计算中选取一定范围坝肩（基）岩体和坝体作为有限元数学模型（图1）。坝体和坝肩（基）岩体采用空间8节点六面体实体单元，坝体横缝采用4节点接触单元模拟。整个计算域共离散为4971个节图"坝体横缝位置图点，4642个单元，其中坝体沿厚度方向剖分4层，三收稿日期：2002-01

4、-21基金项目：“九五”国家重点科技攻关项目子题“高碾压混凝土拱坝承载能力研究”（96-220-02-01-01（3））的部分成果。作者简介：韩晓凤（1973-），女，内蒙古四子王旗人，广西大学结构工程博士生；张仲卿（1940-），男，四川省内江人，广西大学博士生导师，教授。16韩晓凤，张仲卿：高碾压混凝土拱坝横缝开度对拱坝安全的影响4.1位移的变化在自重+水压力作用下，横缝面有压紧闭合的趋势并产生径向错动。当下游初始缝宽为2.0mm时，缝面完全闭合，几乎没有发生错动位移；缝宽为4.0mm时，在坝顶高程处，1号横缝和2号横缝的径向错缝位移分别达到1.71mm和1.18mm；初始缝宽到6.0mm

5、时，错缝位移发生突变，分别达到图3缝面接触单元图9.11mm和4.91mm。图6绘出了坝顶高程处错缝位移随缝宽变化规律。缝面的剪应力由库仑摩擦定律控制。在库仑摩图7表示出最大径向位移随缝宽变化规律，图擦定律中，2个接触表面在滑动之前，在它们的界面中每一条曲线代表一种缝宽（包括无缝情况）。由图上会有某一大小的剪应力，这种状态叫做粘合状态可见，坝体径向位移对横缝的存在是很敏感的，由无（Sticking）。库仑摩擦定律为库仑摩擦模型定义了缝时的10.86mm增加到缝宽2.0mm时的12.12一个等效剪应力，一旦剪应力超过此值后，2个表面之间将开始出现相对滑动，这种状态叫做滑动状态mm，增加了12%；

6、由缝宽2.0mm时的12.12mm增加到缝宽6.0mm时的14.92mm，增加了23%。（Sliding）（图4）。还有一种接触状态称为开式，即以上坝体位移随缝宽加大而增加的规律可以解释两物体某些表面并未接触，但随物体变形可能会接为：在水压力的作用下，原来张开的横缝会压紧闭合触或某些已接触部位随变形而脱离接触。形成拱效应，象箍紧的木桶一样，但是这仅限于缝宽较小的情况，缝宽加大，水压力作用下横缝面难以全部接触，产生错缝，增加了坝体的径向位移。图4接触面摩擦模式图4计算成果分析本文旨在讨论横缝的初始状态为上游窄而下游宽的情况，假设横缝在上游面完全闭合，缝宽!的变化仅限于下游面，缝的间隙在水平面上为

7、三角形（图5）。计算分4种情况：坝体无横缝为整体时，受图6径向错缝位移随缝宽变化图坝体自重+设计水压作用；坝体有横缝且下游初始缝宽分别为2.0mm、4.0mm、6.0mm时，受坝体自重+设计水压作用。图5横缝的初始状态图图7径向位移随缝宽变化图17红水河2002年第1期!"#应力变化0.45Mpa。图8表示出4种情况1810.0m和1850.0m当坝体无横缝时，坝体整体上应力处于良好状高程拱圈上下