高碾压混凝土拱坝横缝开度对拱坝安全的影响

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:T V64214;T V69811+1文献标识码:A文章编号:1001-408X(2002)01-0016-04

1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:/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。0拱坝裂缝的发展必须引起重视,裂缝发展到什么程度才不致影响安全的定量问题有待解决。坝体的横缝与垂直裂缝的影响相似,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,在荷载作用下,横缝受弯矩影响上游窄而下游宽。本文以目前世界上最高的碾压混凝土拱坝)))我国四川沙牌拱坝(坝高132m,国家/九五0重点科技攻关项目依托工程)为例,考虑混凝土材料非线性和横缝接触非线性,研究未灌浆横缝下游缝宽变化时对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。

2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个节点,4642个单元,其中坝体沿厚度方向剖分4层,三维固体单元1264个,横缝接触单元96

个。

图1三维有限元计算模型图

3横缝的数值模拟

计算中有限元模型坝体设2条横缝,分别从左右拱端高程181010m向上延伸至坝顶,横缝的位置及网格剖分见图2。横缝的数值模拟采用离散裂缝模型,在缝的两侧坝体单元表面定义接触单元,一侧为接触面单元,另一侧为目标面单元,缝面一侧的接触单元见图3

。

图2坝体横缝位置图

收稿日期:2002-01-21

基金项目:/九五0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0(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。

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第21卷第1期红水河Vol.21,N o.1

图3 缝面接触单元图

缝面的剪应力由库仑摩擦定律控制。在库仑摩擦定律中,2个接触表面在滑动之前,在它们的界面上会有某一大小的剪应力,这种状态叫做粘合状态(Sticking)。库仑摩擦定律为库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力,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(Sliding)(图4)。还有一种接触状态称为开式,即两物体某些表面并未接触,但随物体变形可能会接

触或某些已接触部位随变形而脱离接触。

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D 的变化仅限于下游面,缝的间隙在水平面上为三角形(图5)。计算分4种情况:坝体无横缝为整体时,受坝体自重+设计水压作用;坝体有横缝且下游初始缝宽分别为210mm 、410mm 、610mm 时,受坝体自重+

设计水压作用。

图5 横缝的初始状态图

411 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210m m 时,缝面完全闭合,几乎没有发生错动位移;缝宽为410mm 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1171mm 和1118m m;初始

缝宽到610mm 时,错缝位移发生突变,分别达到9111mm 和4191mm 。图6绘出了坝顶高程处错缝位移随缝宽变化规律。

图7表示出最大径向位移随缝宽变化规律,图中每一条曲线代表一种缝宽(包括无缝情况)。由图可见,坝体径向位移对横缝的存在是很敏感的,由无缝时的10186mm 增加到缝宽210mm 时的12112mm,增加了12%;由缝宽210mm 时的12112m m 增加到缝宽610mm 时的14192mm,增加了23%。以上坝体位移随缝宽加大而增加的规律可以解释为:在水压力的作用下,原来张开的横缝会压紧闭合形成拱效应,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6

径向错缝位移随缝宽变化图

图7 径向位移随缝宽变化图

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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

412 应力变化

当坝体无横缝时,坝体整体上应力处于良好状态,在预设横缝附近区域没有出现拉应力;拱端的拱向拉应力值小于016M Pa,产生在185010m 高程以上坝肩19m 范围内;拱冠下游面存在小范围的拱向拉应力,位于177010m 高程以下,最大值小于

0145M Pa 。

图8表示出4种情况181010m 和185010m 高程拱圈上下游面应力分布,图中每一个控制点的2个应力值从上到下分别代表拱向应力(R y )和梁向应力(R z )。

当坝体横缝下游初始缝宽为210mm 时,

应力

图8 拱圈应力分布图(单位:M Pa)

分布情况与坝体无横缝时相似。在185010m 高程,1号横缝附近,拱向压应力由无缝时的- 1.21

M Pa 增加到-1.30M Pa,相应位置下游面拱向压应力由无缝时的- 1.07M Pa 减小到-1.05M Pa;2号横缝附近,上游面拱向压应力由无缝时的- 1.09M Pa 增加到-1.13M Pa,相应位置下游面拱向压应力由无缝时的- 1.17MPa 减小到- 1.12MPa,变化很小。左右拱端上游压应力分别由无缝时的-0.11M Pa 和-0.07M Pa 增加到-0.31M Pa 和-0.19M Pa 。梁向应力由无缝时的压应力变为量值较小的拉应力(小于0113M Pa),这是横缝削弱了拱的作用而把荷载转移到梁上的结果。

当坝体横缝下游初始缝宽为410mm 时,185010m 高程横缝附近拱向应力较无缝时变化明显。1号横缝附近,上游面拱向压应力增加到-1.37M Pa,相应位置下游面拱向压应力减小到-0.35MPa,2号横缝附近,上游面拱向压应力增加到-1.20M Pa,相应位置下游面拱向压应力减小到-0.24MPa 。左右拱端上游压应力分别增加到-0.42MPa 和-0.28MPa 。181010m 高程横缝缝端出现了小范围的开裂区。

当坝体横缝下游初始缝宽为610mm 时,横缝附近上游面拱向压应力又有所增加,相应位置下游面拱向应力变为拉应力,横缝附近上下游面均出现了较大范围的开裂区,上游面开裂区由181010m 高程缝端附近向靠近拱冠一侧发展,在1830.0m 高程至坝顶高程之间,横缝两侧均有裂缝;下游面开裂区遍及整个横缝附近,位于坝肩和横缝之间,右侧横缝较左侧开裂严重。

分析以上4种情况位移、应力分布和开裂情况可以看出,横缝下游初始宽度变化对横缝附近区域的位移和应力的影响很大。随缝宽的加大,错缝位

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红水河2002年第1期