重力坝动态断裂分析

地震作用下重力坝的坝踵裂纹及其稳定性是工程界普遍关心的问题。本文基于比例边界有限元法(SBFEM)研究重力坝坝踵裂纹的动态应力强度因子(SIF)的变化规律。SBFEM的优点是可以给出位移场沿径向的解析解,直接按定义求出SIF,而不必对裂尖进行特殊处理。以柯依那(Koyna)重力坝作为算例,进行了频域法和时域法的分析,比较了不同坝踵裂纹长度的应力强度因子,计算了地震应力沿坝基交界面的变化。同时计算了裂纹内水压分布对应力强度因子的影响。计算结果表明随着裂纹长度的延伸,I型应力强度因子的峰值逐渐增大;裂纹内水压     

用杂交模型法计算重力坝坝踵区的应力强度因子

一、前言 用断裂力学方法对重力坝坝踵进行初裂分析有可能改进重力坝的设计方法,这一课题的主要内容之一是计算重力坝坝踵区的应力强度因子。 杂交模型有限元法的理论基础是放松了连续性要求的变分原理。用杂交模型法计算应力强度因子,易于考虑邻近裂纹尖端或切口顶端单元的应力奇异性,可用较少数目的单元得到相当精确的计算结果。文献[2]用杂交模型法计算过V形切口的应力强度因子,但仅限于切口表面无荷载的Ⅰ型问题。重力坝坝踵区则属复合型问题且切口表面作用水压力,单元内作用重力。重力坝的另一特点是坝基为半无限平面。本文在坝踵区设置了反映坝踵区应力奇异性的特殊单元,用修正势能原理导出了特殊单元的刚度矩阵,用杂交模型有限元与半平面边界元耦合法计算了坝踵区的应力强度因子。典型算例表     

横观各向同性岩基对重力坝地震响应的影响

采用基于有限单元法的振型分解反应谱法,研究横观各向同性的层状岩基对重力坝地震响应的影响。研究结果表明,层状岩基的横观各向同性对地震荷载下重力坝的坝踵应力影响不容忽视;层状岩基平行层面与垂直层面方向弹性模量的差异对重力坝的坝体自振频率、坝顶位移及坝踵应力影响显著;岩层倾角对坝体自振频率影响不大,但对坝顶位移及坝踵应力影响较大,倾角60°～135°对坝踵应力分布较为不利。     

有限元等效应力法在重力坝强度分析中的应用

采用有限元法进行重力坝坝体应力分析时,坝踵、坝址的应力计算结果一直无法作为设计坝体断面的依据。本文将有限单元法所求得的应力合成截面内力,用材料力学公式求出重力坝建基面上任意点对应的线性化等效应力,并分析了影响有限元等效应力的各种因素。研究结果表明,有限元等效应力法有效地避免了坝踵、坝址的应力集中现象,解决了坝踵应力随网格的变化而变化的问题,计算出的建基面应力具有数值稳定性,得出的应力结果可以按现行的重力坝设计规范规定的应力标准评价重力坝坝体安全度。因此,结合有限元结果和等效应力法计算的坝踵、坝址应力结果,可为重力坝坝体强度的综合评定提供相应的依据。     

重力坝坝踵处应力强度因子的计算

本文用有限单元法和边界配置法相结合的方法,计算了重力坝坝踵处的应力强度因子;还探讨了边界配置法求应力强度因子时的收敛性问题。计算实践表明:选择适当的计算边界,用改变计算区域几何比例的方法可以求得稳定的应力强度因子。     

预应力加固技术应用于空腹重力坝中的断裂力学分析

通过分析空腹重力坝的优缺点，以断裂力学理沧为基础，应用有限单元法探讨了预应力大小对空腹重力坝坝踵裂缝尖端应力强度因子的影响。预应力加固技术可以很好地弥补空腹重力坝所存在的缺陷，对设计空腹重力坝有一定的参考价值。     

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。     

用光弹法研究重力坝坝踵开裂和裂缝的稳定性问题

在重力坝设计中,由于应力集中的影响以及温度、收缩和渗透压力作用,难于保证坝面不存在拉应力的要求,这就出现了受拉区是否开裂以及开裂后是否稳定问题.当前已开始探讨用脆性断裂力学研究这些问题. 本文主要是用光弹性涂层法通过模型试验来研究混凝土重力坝坝踵开裂后(不同的裂纹角和缝长)缝端的复合型应力强度因子和破坏方向角.     

地质软弱带对重力坝坝体、坝基工作的影响分析

文章假定在重力坝坝基中存在不同位置的软弱带，对重力坝进行了整体非线性有限元计算，分析坝基软弱带对坝趾、坝踵及坝顶的位移、岩基与坝体在坝踵处的竖向正应力以及坝趾附近塑性区的变化情况，得出了坝基中软岩距坝趾的不同位置时，对坝体、坝基应力应变的影响的初步计算结果，可为重力坝坝线的选择提供参考数据。     

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。     

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。     

缝面水压力与地震作用下重力坝坝踵裂缝扩展数值模拟

为研究不同工况下,地震与缝面水压力共同作用对重力坝坝踵裂缝扩展的影响,以Koyna重力坝为例,利用扩展有限元法(XFEM)和相互作用积分理论,建立缝面水压力和地震共同作用下的重力坝坝踵裂缝断裂数学模型,研究不同的坝基与坝体弹模比、初始裂缝长度、缝面水压力分布对坝踵裂缝扩展的影响。计算结果表明:在缝面水压力均匀分布、初始裂缝长度一定的情况下,裂缝扩展长度随坝基与坝体弹模比的增大逐渐减小,扩展路径向坝基面靠拢;在坝基与坝体弹模比一定、缝面水压力均匀分布的情况下,裂缝扩展路径随着初始裂缝长度的增加逐渐增加且趋近坝基面;当坝基与坝体弹模比和初始裂缝长度一定时,随着缝面水压力系数的增大,裂缝扩展长度逐渐减小,裂缝逐渐向岩基扩展。     

重力坝中劈头裂缝开裂分析

混凝土重力坝中的表面裂缝在蓄水后容易扩展成劈头裂缝。本文通过三维有限元仿真计算,分析上游表面裂缝在蓄水后,水沿着裂缝入渗至坝体内部,对内部混凝土造成的冷击影响,进而判断表面裂缝扩展成劈头裂缝的可能性。通过工程实例计算表明,上游表面裂缝扩展成劈头裂缝主要原因是水沿着裂缝入渗至坝体内部,温度应力叠加水的压力,在裂缝周端引起很大的拉应力,进而使裂缝向纵深扩展。通水冷却措施对改善缝端应力效果并不明显,防止劈头裂缝的有效方法是在蓄水前对坝体上游表面裂缝进行封堵处理。     

强地震作用下混凝土重力坝响应特性分析

研究了混凝土重力坝在高强度地震作用下的响应特性,分析了在地震峰值加速度不断增加时坝体屈服区域的发展方向。针对两个典型坝段,运用混凝土塑性损伤模型模拟了其结构的非线性特性。考虑了地震情况下动水压力的作用,通过动力有限元时程分析法计算了不同地震条件下两个坝段的动态响应。计算结果表明:当地震加速度较小时,重力坝只在坝踵区域出现小部分屈服,坝体能正常工作。若提高地震烈度,则局部损伤会纵深发展到达灌浆廊道部位,坝体会形成贯穿上下游的屈服区域并逐渐扩大致使结构失去稳定性。经两个坝段计算结果相互比较,得到了混凝土重力坝在强震作用下的非线性破坏形式,较为真实地反映出坝体的响应。     

Seismic response of concrete gravity dam reinforced with FRP sheets on dam surface

This paper aims at exploring the effects of anti-seismic reinforcement with the fiber-reinforced polymer （FRP） material bonded to the dam surface in dam engineering. Time-history analysis was performed to simulate the seismic failure process of a gravity dam that was assumed to be reinforced at the locations of slope discontinuity at the downstream surface, part of the upstream face, and the dam heel. A damage model considering the influence of concrete heterogeneity was used to model the nonlinearity of concrete. A bond-slip model was applied to the interface between FRP and concrete, and the reinforcement mechanism was analyzed through the bond stress and the stress in FRP. The results of the crack pattern, displacement, and acceleration of the reinforced dam were compared with those of the original one. It is shown that FRP, as a reinforcement material, postpones the occurrence of cracks and slows the crack propagation, and that cracks emanating from the upstream surface and downstream surface are not connected, meaning that the reinforced dam can retain water-impounding function when subjected to the earthquake. Anti-seismic reinforcement with FRP is therefore beneficial to improving the seismic resistant capability of concrete dams.     

大山口拱坝重力墩裂缝分析及加固设计

大山口水电站拱坝右岸重力墩出现贯穿性裂缝,本文通过对两岸重力墩裂缝成因的分析,认为主要是由温度应力引起,裂缝的产生虽然没有导致坝体应力恶化或坝肩失稳,但在重力墩踵部出现了超规范的拉应力。最后提出了缝面封闭和竖直向预应力锚索的处理方案。     

地震荷载作用下裂缝内水压变化规律研究

在地震荷载作用下,混凝土重力高坝含水裂缝快速张开闭合导致水体压缩,产生附加水压,极易引起裂缝失稳。为了探究地震荷载作用下裂缝内水压变化规律,假定裂缝形状为椭圆形,推导出裂缝在地震荷载作用下附加水压计算公式。通过实例分析地震荷载作用对裂缝内附加水压及裂尖应力强度因子在不同方向、不同尺寸以及不同排水率条件下的影响。研究表明:在地震荷载作用下,计算实例的最大附加水压达到初始水压的7.55倍;随着初始裂缝宽度的增大,最大附加水压和裂尖附加应力强度因子快速减小,且初始裂缝宽度越小,排水率对附加水压的影响程度越大;裂缝倾斜角度对裂尖附加应力强度因子影响不显著。研究结果可为进一步研究地震荷载作用下重力高坝中裂缝的稳定性提供理论基础。     

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。