重力坝高压水劈裂模拟方法与特高重力坝设计准则初步探讨

本文提出了全级配混凝土试件单轴拉、压应力作用下高压水劈裂模拟试验新方法，并运用断裂力学对试验结果进行了分析和参数校核，推导了判定重力坝坝踵是否会发生水力劈裂的分析公式。基于试验、计算分析和国内外高重力坝比较研究，初步给出了评估特高混凝土重力坝是否可能发生高压水劈裂的断裂力学条件，经比较可初步用于评判重力坝抗高压水劈裂能力。基于工程比较研究，提出了200m以上特高重力坝，设计准则中需要考虑高压水劈裂的影响。当前国内外采用的重力坝设计准则，对特高重力坝，尤其是碾压混凝土重力坝，都有可能出现偏于不安全的情况。     

特高重力坝考虑高压水劈裂影响的初步研究

本文设计了混凝土试件高压水劈裂模拟试验,可近似模拟无拉、压应力作用下混凝土结构的水力劈裂问题。用试验结果和断裂力学分析校正了有限元分析程序。通过对比分析和有限元计算,研究了大狄克逊重力坝(坝高285m)和假定的坝高216.5m重力坝考虑高压水劈裂的安全问题,结果表明,200m以上的特高重力坝除按无拉应力和抗滑稳定准则设计外,还应考虑高压水的劈裂影响。     

考虑高压水劈裂的高重力坝安全性试验研究

高压水劈裂是高水压驱动裂缝扩展的一种现象,常是影响涉水工程安全的一大因素。由于高坝需抵挡巨大水头,且混凝土坝具有"无坝不裂"的特性,高压水劈裂也逐渐成为高混凝土坝安全研究的重要内容。为了评价高压水劈裂对混凝土重力坝的影响,本文针对重力坝上游面水平裂缝设计了高压水劈裂试验,并参照重力坝可能承受的工况进行了系列试验,讨论了混凝土强度和应力状态对高压水劈裂的影响。根据试验结果,对有限元模型进行了校核,并用此模型计算了3种不同准则设计的重力坝在高压水劈裂方面的差异。分析表明,目前准则在设计200 m以上重力坝时可能存在高压水劈裂风险,且不同国家的准则对高压水劈裂影响较大,具体优化方案还需对坝体的应力指标进行深入研究。     

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。     

江垭RCC重力坝坝体压水试验

碾压混凝土现场压水试验的的环节对压水试验有影响，根据现场压水试验中的不同情况进行比较，施工期碾压混凝土常在非饱和状态下压水，压水段附近的混凝土处于非饱和状态，压水时水流沿钻孔径向外渗，为饱和圈逐渐扩大的非恒定过程，推导了混凝土在饱和状态下渗透系数的计算公式，真实地反映了碾压混凝土的渗透特性，初步制定了碾压混凝土防渗效果的评定标准，根据试验结果对江垭大坝防渗交果进行了评价。     

重力坝水力劈裂分析的扩展有限元法

水力劈裂是高坝在高水压作用下发生破坏的主要诱因之一，针对常规有限元法分析水力劈裂问题存在的缺点，研究了采用新兴的扩展有限元法（XFEM）进行重力坝水力劈裂数值模拟的方法。通过建立考虑裂纹面水压力作用问题的虚功原理，推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的有限元列式；给出了反映裂纹面不连续性的不连续函数数值积分方法、开裂判断准则、应力强度因子的积分方法以及裂纹面扩展过程模拟方法，从而给出了模拟裂纹面有分布水压力载荷作用的水力劈裂问题扩展有限元实现方法。最后通过向家坝重力坝坝踵水力劈裂数值分析，展示了该方法的可行性和优越性。算例表明应用扩展有限元法进行水力劈裂分析可克服常规有限元法的缺点，不需要裂纹面与有限元网格一致，不需要在裂缝周围布置高密度网格，模拟裂纹扩展过程时不需要不断地重新划分网格,极大地简化了前处理工作。     

重力坝水力劈裂分析的扩展有限元法

水力劈裂是高坝在高水压作用下发生破坏的主要诱因之一。针对常规有限元法分析水力劈裂问题存在的缺点,研究了采用新兴的扩展有限元法（XFEM）进行重力坝水力劈裂数值模拟的方法。通过建立考虑裂纹面水压力作用问题的虚功原理,推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的有限元列式;给出了反映裂纹面不连续性的不连续函数数值积分方法、开裂判断准则、应力强度因子的积分方法以及裂纹面扩展过程模拟方法,从而给出了模拟裂纹面有分布水压力载荷作用的水力劈裂问题扩展有限元实现方法。最后通过向家坝重力坝坝踵水力劈裂数值分析,展示了该方法的可行性和优越性。算例表明应用扩展有限元法进行水力劈裂分析可克服常规有限元法的缺点,不需要裂纹面与有限元网格一致,不需要在裂缝周围布置高密度网格,模拟裂纹扩展过程时不需要不断地重新划分网格,极大地简化了前处理工作。     

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。     

基于应力-渗流-损伤耦合模型的重力坝三维水力劈裂数值模拟

裂缝的高压水力劈裂是混凝土高坝安全评估的重要部分。目前,重力坝水力劈裂的数值模拟绝大多数是二维的,对于坝体上游面经常出现的竖直裂缝的三维水力劈裂的数值研究几乎为零。本文提出一种应力-渗流-损伤耦合模型,用于混凝土重力坝三维水力劈裂的模拟。采用该耦合模型,模拟了一个内置裂缝的圆柱体试件的水力劈裂,数值结果与试验结果吻合很好,验证了所提耦合模型的合理性。在此基础上,采用该耦合模型,进行了国内某混凝土重力坝三维水力劈裂的模拟,数值模拟得到的损伤区域与设计院根据安全监测实测结果得到的范围基本吻合。研究结果表明:本文耦合模型可以方便、有效地进行重力坝三维水力劈裂的模拟,评估表面裂缝的危险程度。     

高土石坝的抗震设防依据与选用标准

进入21世纪，我国西部大开发中的水利枢纽、水电开发和引调水工程综合投资巨大，拟建和在建高土石坝处于高地震、深覆盖和高陡边坡工程环境，抗震安全问题尤为突出。在此根据已建工程抗震经验，论述复杂地震地质背景条件下高土石坝的抗震设计依据和安全状态；现行水工建筑物抗震设计标准的适用性；以及提高土石坝抗震性能的技术途径等问题。供探讨与参考。     

重力坝设计新思路

碾压混凝土（RCC)筑坝技术是混凝土筑坝技术在材料与施工技术上的革命，本文从RCC坝的现状入手，分析大坝产生裂缝和导致渗漏的原因，论证了尽可能降低重力坝坝体混凝土中的胶凝材料用量，就可避免温度裂缝的发生。提出的重力坝设计新思路是：坝体混凝土只满足应力与稳定的要求，无需承担防渗功能，而大坝的防渗功能，应由上游面专门设置的防渗结构来承担，即大坝的设计应体现功能分开的原则。     

岩体水力劈裂的无单元法模拟

基于无单元法模拟水力开裂的优越性,文中结合断裂力学理论进行了应用无单元法模拟水力劈裂的研究。首先探讨了水力作用的施加,其次给出了水力劈裂准则和开裂追踪方法,然后应用修正J积分法计算应力强度因子,编制了水力劈裂模拟的无单元法程序,最后应用该程序对一算例进行了计算。结果表明所介绍的方法和程序合理可行,为岩体水力劈裂模拟提供了可靠的手段。     

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。