地震荷载作用下重力坝坝踵裂缝内水压分布研究

在地震荷载作用下,重力坝内水下裂缝突然闭合时会产生较大的附加水压力,从而可能引起裂缝失稳,对大坝抗震不利。基于大型有限元软件建立数值分析模型,人为在坝踵设置初始张开宽度为0.001 m的楔形裂缝,以分析在地震作用下不同长度、不同方向的裂缝内部的最大水压分布规律。其中,库水及缝内水体采用势流体单元,库水与坝体、坝基间采用流固单元。研究结果表明,随着裂缝长度的增长,裂缝内最大水压不断增加,最大可达到初始静水压的8.13倍;而随着裂缝角度的增大,裂缝内最大水压先增大后减小;裂缝长度越长,裂缝内最大水压随着角度变化越明显。     

考虑缝水作用的混凝土重力坝坝踵裂缝研究

文章以辽宁省参侵蒋窝水库混凝土重力坝为例,利用扩展有限元法进行建模计算,对坝踵裂缝在满库荷载作用下的现行断裂进行研究分析,获得了裂缝在不同工况下的应力强度因子和扩展路径。研究结果对大坝除险加固工程设计以及新建混凝土重力坝工程设计有一定的借鉴。     

坝踵裂缝深度对混凝土重力坝可靠度的影响

已建成的绝大多数混凝土重力坝的坝踵部位均会不同程度地出现裂缝,有必要研究裂缝开展深度对坝体安全度的影响。基于Matlab软件,人为地在坝踵沿建基面方向设置不同深度的裂缝,利用材料力学原理建立重力坝沿建基面的抗滑稳定、坝趾抗压强度和坝踵抗拉强度的功能函数,分析了不同裂缝深度对上述三种情况可靠度的影响。研究结果表明:裂缝的存在对坝体抗滑稳定影响较小,但可靠度随建基面抗剪强度指标的下降而减小;裂缝的存在对坝趾抗压强度和坝踵抗拉强度的可靠度影响较大,随坝踵裂缝长度的增大,可靠度下降很快。     

重力坝横缝止水至坝面距离对防止坝面劈头裂缝的影响

在混凝土重力坝、尤其是通仓浇筑的重力坝上游面， 往往出现严重劈头裂缝。为了防止这种裂缝的出现，必需加强温度控制， 并加大横缝内止水至坝面的距离， 利用缝内水压力， 在坝体上游面产生压应力， 以减小劈头裂缝出现的可能性， 但这种影响目前尚无法定量分析。经研究给出一个计算方法， 计算结果表明， 止水至坝面距离以达到横缝间距的０２５～０４５ 倍为宜。这一计算方法和结论对于常规混凝土重力坝和碾压混凝土重力坝都是适用的。     

重力坝计算与实测坝踵应力差异中扬压力作用研究

坝踵应力是评价重力坝安全的重要指标,按无拉应力准则设计的重力坝采用有限单元法分析时往往出现较大的拉应力,但实际工程中未见观测到拉应力的报道,有的甚至出现较大压应力,同时实测应力变幅往往远小于计算值。本文统计了国内外24座重力坝观测结果,分析了坝踵应力蓄水前后变化特点,以一典型重力坝断面为例,采用材料力学法和有限元法对坝踵应力进行计算,对比分析了理论坝踵和实测坝踵应力变化规律,重点研究了扬压力对两个坝踵点应力贡献作用,揭示了计算和观测坝踵应力差异的原因之一。结果表明：理论上的坝踵应力是坝踵基岩一侧计入扬压力作用的有效应力,实测坝踵应力则是距基础一定距离、坝体混凝土内部的总应力,两者存在一个与扬压力接近的应力差;按无拉应力准则设计的重力坝,坝内测点不会出现拉应力,最小压应力为0.5～1.0倍的上游水头;实测坝踵的有效应力取决于渗流场和孔隙水压力系数(B系数),该点渗透压力变幅小于上游水头且存在滞后,致使应力变幅明显小于理论坝踵应力变幅;扬压力在理论坝踵和实测坝踵的作用差异是实测与计算坝踵应力差异显著的重要原因之一。     

重力坝诱导缝对坝踵区应力的影响及优化研究

以重力坝坝踵区应力状态为优化的目标,在坝体上游库底基岩上设置一条不同状态的诱导缝,计算静、动力条件下重力坝挡水坝段在不同的诱导裂缝缝踵距和缝缝深组合下的坝踵区应力分布,得出诱导缝缝踵距越小、缝深越大对降低坝踵拉应力越有效的结论,并在此基础上对重力坝的诱导缝的最佳位置和尺寸进行优化分析。     

高混凝土重力坝坝踵裂缝水力劈裂特性分析

高水压作用下常年运行的高混凝土重力坝易存在水力劈裂破坏隐患,对某高混凝土重力坝坝踵裂缝水力劈裂特性进行数值分析,研究了缝内水压对高混凝土坝水力劈裂裂缝扩展的影响,探讨了高混凝土坝水力劈裂裂缝稳定性和坝基面抗滑稳定性。结果表明,当初始裂缝距离坝踵的高度为3.0 m,裂缝深度为2.0 m时,与不考虑缝内水压作用相比,缝内水压作用下坝体极限承载能力降低17.6%;当初始水平裂缝深度为2.0 m,裂缝距离坝踵的高度小于等于5.0 m时,坝体裂缝处于拉剪断裂模式;初始水平裂缝位于坝踵位置,缝内水压作用下坝基面抗滑稳定安全系数下降明显,下降速率为未考虑缝内水压情况的8倍,缝内水压作用对重力坝坝踵裂缝稳定及抗滑稳定不利。     

考虑水力劈裂效应的重力坝坝踵裂缝稳定分析

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。     

混凝土坝坝体裂缝在地震荷载下扩展研究的几个关键问题

位于我国西部强震区的高混凝土坝,如小湾、二滩等,施工期或运行期在坝体表面以及坝体内部出现了一定范围的裂缝。鉴于这些高坝工程的极端重要性,裂缝在地震作用下的扩展性问题为学术界和工程界关注。针对混凝土坝坝体裂缝在地震荷载下扩展研究的关键性问题,包括地震动输入、坝体已有裂缝及其裂缝处理措施的模拟、缝端混凝土破损路径及其破损程度的模拟等研究现状分别进行讨论。最后指出了下一阶段的研究方向。     

FRP片材表面加固混凝土重力坝坝踵抗震性能数值模拟

基于Pushover方法,采用反映混凝土细观非均匀性的混凝土损伤计算模型,以某一即将兴建的混凝土重力坝为例,研究了下游向地震惯性作用下FRP片材表面加固大坝坝踵后坝踵处的起裂、裂缝扩展、FRP应力状态及剥离现象等.结果表明:FRP片材表面加固混凝土重力坝坝踵能有效地延缓坝踵的起裂及裂缝扩展,减小坝踵可能破坏范围;坝踵FRP片材上应力最高,但远小于FRP的抗拉强度,足见FRP片材加固的有效性.     

重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合分析

大坝运行期间,重力坝坝踵裂缝在较高水头作用下易发生水力劈裂破坏。建立扩展有限元法框架下重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合数值模型,并采用扩展有限元法模拟水力劈裂耦合作用下重力坝坝踵裂缝扩展过程。计算结果表明:重力坝坝踵初始裂缝逐渐向坝基底部扩展,且裂缝扩展方向朝向下游;无水力劈裂作用下的裂缝开裂角大于水力劈裂作用下的,无水力劈裂耦合作用下的裂缝开裂角小于水力劈裂耦合作用下的;重力坝坝踵裂缝扩展前,裂缝内水压力基本与边界水压力相同,当裂缝开始扩展时,裂缝内水压力会降低,而后裂缝张开宽度不断增大,裂缝内水压力又会变成边界全水头;裂缝水力劈裂导致裂尖Ⅰ型应力强度因子增大,降低了重力坝裂缝的稳定性。研究结果可为重力坝坝踵裂缝水力劈裂防治提供理论依据。     

半圆弯拉下岩石内裂纹扩展规律数值模拟研究

岩石内部固有缺陷的存在和扩展是导致其断裂的重要因素,半圆弯拉试验是该领域的重要实验。为研究半圆弯拉下含三维内裂纹试件扩展路径及断裂特性,基于Franc3D有限元自适应网格划分技术开展含三维内裂纹SCB试样数值模拟,结果表明:(1)基于Franc3D软件的三维裂纹扩展与室内试验具有较好的一致性,该软件是三维裂纹数值模拟的重要工具。(2)通过M积分得到裂纹尖端应力强度因子,分析得出对称加载模型为K_Ⅰ与底部加载跨距呈正相关的Ⅰ型断裂模式;非对称加载模型中出现复合断裂模式,随着右侧加载跨距的增加,K_Ⅰ先降低再升高,K_Ⅱ及K_Ⅲ先变化至0,再逐渐升高。(3)基于最大拉应力准则得到裂纹扩展路径,对称加载模型在I型断裂模式下进行平面扩展后破坏,非对称加载模型出现复合断裂模式,伴随翼型起裂并扩展至破坏。(4)定量分析对称加载模型裂纹内部扩展规律得出,裂纹下端扩展速率最大,上端扩展速率最小。     

地震载荷作用下混凝土重力坝损伤分析

为了深入研究混凝土重力坝在地震载荷作用下进入非线性状态并发生损伤破坏的力学机理,通过损伤力学理论对混凝土重力坝的损伤机制进行分析,运用有限元软件对混凝土重力坝发生损伤现象进行数值模拟。分析在x、y方向的地震载荷作用下,混凝土重力坝发生损伤的区域。监测坝体靠近损伤区域的节点的主应力变化情况。研究表明:在坝踵、坝趾以及坝颈下游面这些应力集中区域易发生损伤现象,主应力随着地震加速度时程变化而变化,地震加速度幅度越大,坝体的受拉应力水平越高,范围也越大,拉应力水平极易达到抗拉强度,进而发生损伤现象。揭示了混凝土重力坝在地震载荷作用下损伤的发生机制,为混凝土重力坝的设计和施工提供理论依据。     

小湾高拱坝坝踵开裂的有限单元法分析

在开裂单元中引入不连续形函数，然后基于虚功原理推导出开裂单元的广义刚度矩阵和广义荷载的具体表达式，以及有限元平衡方程，从而建立了一种三维裂缝扩展的不变网格有限元分析方法。运用该方法对已建的二滩拱坝和待建的小湾工程拱坝在相同的工况下进行了对比计算。计算结果表明：在目前所考虑的影响因素下，小湾拱坝和二滩拱坝的开裂范围、开裂程度及对网格疏密、混凝土抗拉强度和水力劈裂等影响因素的敏感程度都非常相似。考虑到二滩工程已建成，且运行正常，可以初步判定小湾工程的拱坝坝踵开裂危险性不大。     

小弯高拱坝坝踵开裂的有限单元法分析

在开裂单元中引入不连续形函数，然后基于虚功原理推导出开裂单元的广义刚度矩阵和广义荷载的具体表达式，以及有限元平衡方程，从而建立了一种三维裂缝扩展的不变网格有限元分析方法。运用该方法对已建的二滩拱坝和待建的小湾工程拱坝在相同的工况下进行了对比计算。计算结果表明：在目前所考虑的影响因素下，小湾拱坝和二滩拱坝的开裂范围、开裂程度及对网格疏密、混凝土抗拉强度和水力劈裂等影响因素的敏感程度都非常相似。考虑到二滩工程已建成，且运行正常，可以初步判定小湾工程的拱坝坝踵开裂危险性不大。     

重力坝坝踵应力控制标准的研究

重力坝坝踵应力控制标准问题一直是个难于解决的问题,为了研究这个问题,采用有限元线弹性模型对4种不同高度的重力坝、3种坝体下游边坡、3种地基和坝体弹模比、28组不同网格尺寸进行了计算分析,得出了不同高度、下游边坡、地基与坝体弹模比、网格尺寸情况下重力坝坝踵应力的分布规律,并且得出重力坝采用有限元计算分析的情况下,主拉应力...