混凝土面板坝面板动力损伤有限元分析

联合采用混凝土塑性损伤模型和堆石料弹塑性本构模型,建立了面板堆石坝弹塑性动力分析方法,研究了地震荷载作用下混凝土面板的损伤发生和发展过程。计算结果表明：地震时,在0.65H（H为坝高）附近顺坡向拉应力最大,面板首先在该部位出现损伤,同时由于鞭稍效应,0.85H面板附近也出现损伤;采用损伤模型,损伤部位的面板出现软化,应力得到释放,计算结果比线弹性模型更加合理;采用塑性损伤模型可以反映混凝土面板渐进破坏过程,通过损伤变量可以清晰地了解面板的损伤分布和薄弱环节。此研究成果可以为进一步开展混凝土面板堆石坝极限抗震能力及抗震措施分析提供有效手段。     

中国高混凝土面板堆石坝性状监测及启示

阐述了中国高混凝土面板堆石坝(坝高129 m以上)安全监测布置、监测仪器选型和数量以及监测主要成果,在分析了高混凝土面板堆石坝监测资料的基础上指出筑坝材料的变形特性、坝高和河谷形状是影响混凝土面板堆石坝工作形状的主要因素,提出了坝体沉降特征值Cs、坝体水平位移特征值CDu和CDd、周边缝位移特征值CDS、面板垂直缝位移...     

“5.12”汶川地震对紫坪铺混凝土面板坝的影响及原因分析

"5.12"汶川大地震导致紫坪铺混凝土面板堆石坝产生了最大为100 cm的沉降和60 cm的水平位移,如此大的地震永久变形,使得上游混凝土面板大面积脱空,库水位以上混凝土面板分期施工缝出现明显错台,面板垂直向接缝发生挤压破坏。在现场调查的基础上,对该坝地震损伤原因进行了分析,并对今后混凝土面板堆石坝的地震反应计算分析研究、抗震设计工作以及紫坪铺混凝土面板堆石坝震后修复原则提出了相应的建议。     

基于不同损伤本构模型的钢筋混凝土剪力墙结构数值模拟

混凝土材料的力学行为具有典型的非线性与随机性特征。而科学合理的本构模型是进行混凝土结构动力反应与抗震整体可靠性分析的基础。为深入研究该问题,采用三类不同的混凝土损伤本构模型,包括混凝土塑性损伤本构模型、混凝土细观随机断裂损伤模型和考虑拉压软化效应的混凝土细观随机断裂损伤模型,对1个9层钢筋混凝土剪力墙结构进行精细化动力反应数值模拟,并与已完成的振动台试验结果进行对比。结果表明：采用三类模型均能较好地预测混凝土剪力墙结构的顶层位移最大值;然而,由于不合理地假定了损伤完全决定于塑性,采用经典塑性模型难以获得正确的结构层间位移角分布和损伤分布;与之相比,采用混凝土细观随机断裂损伤模型能够很好地反映混凝土结构的失效模式、裂纹开展和损伤分布,尤其通过进一步引入拉压软化效应,不仅能够定量反映上述特征及弯剪破坏形态,而且能够反映试验中存在的底部受压破坏模式。     

镶嵌式面板堆石坝应力应变特性研究

镶嵌式面板坝是解决高面板堆石坝安全性的一种新理念,结合某150 m面板坝工程,采用非线性平面有限元方法,系统研究了新坝型与常规面板坝应力应变特性的差异,并探讨了混凝土坝高度、顶面宽度和坡比对镶嵌式面板坝应力应变的影响。结果表明,镶嵌式面板坝与常规面板坝在堆石坝体沉降、周边缝变位等方面并没有显著改变,改变主要集中在堆石体上游向变形和面板的应力应变上,镶嵌式面板坝对堆石体上游向变形有一定抑制作用,由于缩短了面板长度,对面板静态应力应变状况有所改善,但对面板动态应力状况稍有不利。混凝土坝高度是控制性体型参数,需综合考虑其对堆石坝体、面板和混凝土坝自身应力变形以及接缝变位的影响,合理选择混凝土坝坝高。     

折线型面板堆石坝——改善面板应力状态

数值计算和原型观测结果都表明,面板堆石坝靠近两岸的面板拉应力较大,个别部位拉应力甚至超过面板混凝土抗拉强度设计值,由于混凝土抗拉强度只有抗压强度的6%⁹%,拉应力往往是确定面板混凝土标号乃至影响面板安全的控制因素。本文提出了以折线型面板替代直线型面板来减小面板上拉应力的新设想,通过某水电站面板堆石坝的三维有限元法数值计算表明采用折线型面板可以有效地减小面板的拉应力,同时面板垂直缝的张开变形和周边缝的张开变形也都减小。因此,对于高面板堆石坝或河谷形状较陡的面板堆石坝工程,采用折线型面板可能更有利于大坝的安全。     

中国混凝土面板堆石坝的技术进步

首先阐述了中国20余年来混凝土面板堆石坝的发展概况,简要说明了已建和在建的94座坝高100 m以上的高混凝土面板堆石坝的主要技术特征和自主创新,包括上下游坝坡、面板厚度、宽度和配筋率、趾板宽度、坝体分区、筑坝材料、填筑标准、接缝止水和工程用途。展示了中国在国际混凝土面板堆石坝工程领域的领先地位。接着阐述中国混凝土面板堆石坝筑坝技术所取得的进展,分别阐述了设计技术、施工和监测技术、筑坝材料（软岩和砂砾石）和防渗结构（面板和止水）关键技术,不利自然条件下（狭窄河谷、高陡岸坡、深覆盖层、地震区和高寒区）的筑坝关键技术以及计算和试验研究等方面的技术进步和创新,最后简述了未来超高面板堆石坝的挑战和展望。     

高混凝土面板堆石坝地震损伤机理研究

以紫坪铺面板堆石坝为例,基于堆石料的黏弹性模型和地震残余应变模型计算分析了高混凝土面板堆石坝的地震响应,并结合震害调查结果分析了高混凝土面板堆石坝的地震损伤机理。研究表明,输入地震加速度在坝顶附近和坝坡表面显著放大,呈现出显著的鞭梢效应,导致坝顶和下游坝坡上部堆石体松动滚落。地震导致大坝堆石体产生显著剪缩,坝体断面整体向内收缩,刚性混凝土面板与垫层料之间脱空,脱空后面板与垫层料之间的摩擦力大幅减小甚至消失,面板在自重和地震惯性力联合作用下向下滑动,致使面板水平施工缝发生错台,面板表面产生裂缝。地震还导致岸坡附近左右坝段堆石体向河谷中央位移,致使岸坡附近面板垂直接缝发生拉伸破坏,河床中部垂直接缝及附近混凝土面板发生挤压破坏。数值计算和震害调查结果均表明,高混凝土面板堆石坝的地震损伤现象主要与其堆石体地震残余变过大,以及堆石体与防渗系统之间变形不协调密切相关,故强震区修建高面板坝应尽可能提高堆石体压实密度,以减小坝体的地震残余变形。     

基于IDA的高面板堆石坝抗震性能评价

抗震性能分析能够有效估计结构在地震作用下的危险性,逐渐成为抗震安全性评价的重要方法,但由于结构的复杂性,该方法在面板堆石坝方面的应用还处于起步阶段。随着强震区大量高面板堆石坝的建设,这些高坝的安全性是必须要考虑的重大问题,因此对大坝进行抗震性能分析至关重要。增量动力分析(IDA)法作为一种抗震性能分析方法,能够全面、深入地分析在不同强度地震作用下结构性能的变化。将IDA法引入到高面板堆石坝安全评价领域,建立了高面板堆石坝地震破坏性能评价方法。根据场地条件选取了15条不同的强震动记录,以地震峰值加速度PGA为地震动参数,采用坝体地震震后变形、坝坡稳定性、面板防渗体安全为抗震性能评价指标,选取合适的性能参数,建议了高面板堆石坝各评价指标的破坏等级划分标准,通过大量非线性有限元计算,得到各性能参数的地震易损性曲线,分析了大坝在不同强度地震作用下发生破坏的概率,成果可为高面板堆石坝抗震性能设计和安全风险评估提供参考和依据。     

高面板堆石坝抗震安全评价标准与极限抗震能力研究

针对强震区高面板堆石坝的特点,提出了基于稳定、变形、面板防渗体系安全的高面板坝抗震安全评价和极限抗震能力分析方法,并建议了坝坡抗震稳定、坝体局部动力稳定、坝体地震残余变形、面板防渗体系的抗震安全评价标准。对坝高超过250 m的某高面板堆石坝进行了极限抗震能力分析,根据坝坡稳定性、地震残余变形、单元抗震安全性、面板防渗体系抗震安全性等多角度的评价结果,初步认为,该高面板堆石坝的极限抗震能力为0.50g~0.55g。     

基于跨尺度精细方法的面板坝面板损伤演化尺寸效应分析

中国面板坝建设规模正突破200~300 m级跨越,研究地震面板损伤破坏对特高坝抗震性能和安全控制具有重要意义。引入Quadtree跨尺度建模和非线性SBFEM-FEM耦合分析方法,联合土体广义塑性模型、弹塑性接触模型和混凝土塑性损伤模型,研究了高面板坝面板地震精细损伤演化过程。研究表明：面板损伤区主要发生在高程0.6H~0.9H区间附近;随顺坡向网格细化,损伤越趋局部化,越能合理地反映面板顶部的损伤破坏现象,建议顺坡向面板尺寸取0.5~1.0 m。面板大部分区域法向划分2层或1层网格可满足计算精度,但对顶部局部区域,可考虑分3层网格。基于Quadtree-SBFEM-FEM的跨尺度分析方法,实现了面板的精细化损伤演化规律研究,可为工程地震薄弱区域的精准定位和抗震安全控制方法的有效性分析提供重要参考和指导。     

汶川大地震紫坪铺混凝土面板堆石坝震害现象与变形监测分析

 2008年5月12日四川汶川发生8.0级大地震,震中烈度XI度,造成地面建筑物严重破坏。紫坪铺面板堆石坝坝高156 m,距汶川地震震中17 km,是地震灾区距地震震中最近、工程规模最大的一个高坝水库工程。紫坪铺大坝受地震影响,产生了一定的变形破坏,引起学术界和工程界广泛关注。依据大坝地震后宏观变形现象和变形监测资料,对大坝堆筑体和混凝土面板的变形破坏现象进行详尽的描述和分析;在此基础上综合分析认为,大坝变形特征以沉降为主,水平位移相对较小,大坝整体处于收缩压密状态,最大沉降发生在大坝顶部,量值为900～1 000 mm,沉降与坝高之比约为0.6%,大坝坝体和下游坝坡没有产生显著破坏,大坝结构功能受地震影响较小。     

超高面板堆石坝面板挤压破坏机理及数值模拟方法研究

面板挤压破坏是影响超高面板堆石坝安全的核心问题。总结分析了国内外数座典型超高面板堆石坝工程中发生的面板挤压破坏现象及特征。论述了面板纵缝转动接触挤压效应的发生机制,认为由坝体变形所导致的面板转动挤压和位移挤压是导致面板发生挤压破坏的本质原因。基于非线性接触力学的方法,自主开发了可描述面板坝复杂多体接触特性的计算方法和三维有限元计算程序系统。使用局部子结构模型对面板纵缝的转动接触挤压效应进行了分析。计算结果表明,转动挤压和位移挤压均可在纵缝两侧面板表面部位引发严重的应力集中,可从量值上解释面板发生挤压破坏时面板中部挤压应变实测值和计算值仍远低于混凝土极限抗压应变的现象。     

梅溪覆盖层上混凝土面板堆石坝流变变形反馈分析及安全性研究

在整理分析覆盖层上面板堆石坝变形观测资料的基础上,对坝体堆石料模型计算参数及流变模型参数进行反馈分析。根据反馈分析得到的计算结果,采用双屈服面弹塑性模型,用三维有限元法分析研究坝体、坝基、混凝土面板、防渗墙和趾板应力及变形的分布规律,得出了有价值的计算分析结果,论证了该坝运行期间的安全性。通过对该坝的流变计算,得出坝体、坝基流变变形较小,而且基本趋于稳定的结论。     

Dynamic in-plane transversal normal stresses in the concrete face of CFRD

Severe earthquakes can induce damages to Concrete Face Rockfill Dams (CFRDs) such as concrete cracking and joint’s water stops distressing where high in-plane transversal normal stresses develop. Although these damages rarely jeopardize the dam safety, they cause large water reservoir leakages that hinder the dam functioning. This issue can be addressed using well know numerical methods; however, given the wide range of parameters involved, it would seem appropriate to develop a simple yet reliable procedure to get a close understanding how their interaction affects the CFRD’s overall behavior. Accordingly, once the physics of the problem is better understood one can proceed to perform a detailed design of the various components of the dam. To this end an easy-to-use procedure that accounts for the dam height effects, valley narrowness, valley slopes, width of concrete slabs and seismic excitation characteristics was developed. The procedure is the dynamic complement of a method recently developed to evaluate in-plane transversal normal stresses in the concrete face of CFRD’s due to dam reservoir filling [¹]. Using these two procedures in a sequential manner, it is possible to define the concrete slab in-plane normal stresses induced by the reservoir filling and the action of orthogonal horizontal seismic excitations acting at the same time upstream-downstream and cross river. Both procedures were developed from a data base generated using nonlinear static and dynamic three-dimensional numerical analyses on the same group of CFRD’s. Then, the results were interpreted with the Buckingham Pi theorem and various relationships were developed. In the above reference, the method to evaluate the concrete face in-plane transversal normal stresses caused by the first reservoir filling was reported. In this paper, the seismic procedure is first developed and then through an example the whole method (dam construction, reservoir filling plus seismic loading) of analysis is assessed.     

基于速率相关混凝土损伤模型的高拱坝地震响应分析

不同应变率下混凝土受拉及受压的动力试验表明,混凝土的弹性模量、抗拉强度、抗压强度及相应的极限应变等重要参数与应变率和加载历史密切相关。根据已有试验结果,通过引入损伤张量随应变率的变化建立了应变率相关的混凝土非线性损伤模型,对300米级的高拱坝的地震响应进行了计算,并分析了拱坝应变率和拉、压损伤的分布规律。结果表明,由于地震荷载引起的应变率在坝面的分布不同,坝面各处的动态性能变化并不一致,由此引起的混凝土强度和刚度的变化,对于高混凝土拱坝的动力响应和安全性评价有重要影响。     

Strengthening of the concrete face slabs of dams using sprayable strain-hardening fiber-reinforced cementitious composites

In this study, sprayable strain-hardening fiber-reinforced cementitious composites (FRCC) were applied to strengthen the concrete slabs in a concrete-face rockfill dam (CFRD) for the first time. Experimental, numerical, and analytical investigations were carried out to understand the flexural properties of FRCC-layered concrete slabs. It was found that the FRCC layer improved the flexural performance of concrete slabs significantly. The cracking and ultimate loads of a concrete slab with an 80 mm FRCC layer were 132% and 69% higher than those of the unstrengthened concrete slab, respectively. At the maximum crack width of 0.2 mm, the deflection of the 80-mm FRCC strengthened concrete slab was 144% higher than that of the unstrengthened concrete slab. In addition, a FE model and a simplified analytical method were developed for the design and analysis of FRCC-layered concrete slabs. Finally, the test result of FRCC leaching solution indicated that the quality of the water surrounding FRCC satisfied the standard for drinking water. The findings of this study indicate that the sprayable strain-hardening FRCC has a good potential for strengthening hydraulic structures such as CFRDs.     

砾石垫层-混凝土接触面力学特性单剪试验研究

混凝土面板坝的安全与面板的受力状态密切相关。混凝土面板与砾石垫层料的特性有较大差异,两者之间接触面的力学特性,对于面板的应力与变形具有重要影响。结合国内在建的水布垭高面板堆石坝的设计科研需要,研制了一大型叠环式单剪仪,对面板与砾石垫层间接触面的力学特性进行了试验研究。为了对接触面的不同处理方式的效果进行对比,为设计方案的选择提供依据,分别进行了混凝土面无保护、砂浆保护和乳化沥青保护三种接触面的剪切试验。