紧水滩拱坝裂缝稳定性分析

第41卷第5期2008年10月武汉大学学报(工学版)Eng ineer ing Jour nal of W uhan U niversity Vo l.41N o.5O ct.2008收稿日期:2008-02-25作者简介:常晓林(1963-),男,湖北随州人,教授,博士生导师,主要从事高坝结构方面的研究.文章编号:1671-8844(2008)05-0026-05紧水滩拱坝裂缝稳定性分析常晓林,游 锋,李 民,黄成家(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉 430072)摘要:为研究紧水滩拱坝已监测出的主要坝面裂缝的存在或发展对拱坝正常运行的影响,进行了裂缝稳定性数值计算,其中坝体混凝土采用理想弹塑性本构关系和M ohr -Co ulomb 屈服准则,含裂缝的部分区域采用子模型技术,裂缝内采用动态接触状态的分析模型.分析结果表明:已有裂缝对拱坝整体工作性态无影响,裂缝的稳定性与其位置和缝面水压作用形式有关.验证了4种工况下裂缝的稳定性,提出应对其中的3处裂缝采取防渗止水措施防止其继续发展.关键词:紧水滩;拱坝;裂缝;子模型;稳定性分析中图分类号:T V 642.4 文献标志码:AAnalysis of crack stability in Jinshuitan Arch DamCH ANG Xiao lin,YOU Feng,LI M in,H U ANG Chengjia(St ate Key Labor ator y o f Water Reso urces and Hy dr opow er Engineer ing Science,Wuhan U niv ersity ,W uhan 430072,China )Abstract:In or der to study the influence o f the ex istence or the developm ent of cracks monito red from the m ain dam sur face on the nor mal o peration of the Jinshuitan Arch Dam,the numerical calculation o f crack stability is m ade.An ideal elastoplastic constitutive relation and M ohr -Coulo mb yield criterion ar e used for the dam co ncrete;submo deling technique is used for the cracking zo nes;and dynamic contact theory is used for the cr ack itself.The results show that the existence of cracks has little influence o n the w hole perfo rmance of the dam ;the stability of these cracks is related to the locations of cracks and w ater pressur e for m in crack surface.T he stability o f the cracks is checked in four w or king conditions;and w ater seepage prevention m easures should be carried out to three po sitio ns amo ng all the cracks.Key words:Jinshuitan;arch dam ;crack;subm odel;stability analysis 拱坝裂缝是个普遍存在的问题,20世纪30年代开始人们就一直在研究裂缝的产生机理和原理、防止措施、检查方法、裂缝对坝工作性态的影响、处理措施、安全监测方法等,所取得的成果解决了许多工程实际问题,但裂缝对拱坝运行性态会有什么影响、裂缝的稳定性如何等迄今仍是个亟待解决的难题.进行拱坝运行期裂缝稳定性数值分析的目的就是通过数值分析的成果来分析判断原有裂缝是否稳定,以及在运行期间是否会有新的裂缝产生,它们的存在或发展对拱坝的性态会构成什么影响,从而为判断拱坝结构的安全状况提供参考依据.对于混凝土坝坝面裂缝稳定性的分析已取得了一些成果,黄云等[1]将边界元法和线弹性断裂力学结合,理论严谨,但是用到分离裂缝模型,须重复修改网格,费工费时,而且边界元的计算速度比不上有限元法,并且边界元法在处理多介质问题和复杂非线性问题方面非常困难;邓爱民等[2]用损伤与第5期常晓林,等:紧水滩拱坝裂缝稳定性分析断裂的方法分析裂缝的形成及其扩展的稳定性,充分考虑了混凝土的特殊材料特征.但是断裂力学迄今为止只能分析平面问题中的裂缝稳定性问题,并且只限于Ñ型(张开型)裂缝.通常混凝土坝处于复杂应力状态,尤其是多次超静定结构的混凝土拱坝,并且断裂韧度的实验数据不足,这些都限制了断裂力学在模拟拱坝坝面裂缝上的研究.混凝土损伤力学模型应用于工程实际问题,还有以下问题有待解决:如何选择合理的损伤变量,并把含有损伤变量的公式运用于数值计算中;如何确定混凝土的初始损伤状态;如何体现复杂应力条件下损伤演化的条件和规律;如何较为合理地确立损伤破坏判据,等[3].本文针对已监测出的紧水滩拱坝坝面裂缝进行裂缝稳定性数值计算.由于坝面裂缝的尺寸和坝体尺寸的巨大差异,先对坝体进行整体线弹性分析,考虑到远离裂缝处网格无须很细,在裂缝端部附近采用子模型技术分析其稳定性.子模型中,由于裂缝附近局部拉应力超过混凝土的弹性极限后才开裂,采用理想弹塑性本构关系,用Mohr-Coulomb 准则判断混凝土的屈服和破坏,并且对裂缝建立一个基于接触力学分析方法的全面反映带缝拱坝裂缝内动态接触状态的分析模型,用一个标准凸二次规划函数来表现拱坝裂缝的接触摩擦状态,采用非线性规划理论中的增广Lagrangian方法求解.根据计算结果,对坝面裂缝提出相应的工程措施,研究成果表明不仅可解决紧水滩工程的问题,且对国内目前在建的或已建的拱坝的运行管理也有参考价值.1工程概况紧水滩水利枢纽位于瓯江上游龙泉溪上,在浙江省云和县境内,工程等别为一等.它主要由挡水建筑物、泄水建筑物、发电引水建筑物、电梯塔、发电厂房、开关站、进厂交通隧洞和过坝建筑物等组成.挡水建筑物是座坝高102m的三心双曲变厚混凝土拱坝,坝顶高程194m.施工期间由横缝将坝体自左向右依序分为20个坝段,各横缝在施工过程中通过接缝灌浆最终将各坝段连成整体.发电引水建筑物布置在坝体中部,以8号~13号坝段为发电引水坝段,发电厂房为坝后式厂房.紧水滩拱坝在施工期间曾出现裂缝,按产状可分为水平裂缝和垂直裂缝,以水平裂缝居多,并且主要发生在水平施工缝上,垂直裂缝主要发生在浇筑仓面,少数发生在上游坝面和横缝面上.原有的规模较大的裂缝在水库蓄水前都做过不同程度的处理,其中上游坝面的裂缝在进行化灌后还贴以丁基橡胶板防渗.2003年对紧水滩拱坝进行第二次安全定期检查,水下检查发现原贴在上游面的丁基橡胶板不是脱落便是与坝面脱空,早已失去了防渗的作用.而拱坝运行多年,在下游坝面并没有见到渗水现象,说明原有的水平裂缝尚未发展贯通形成渗水通道,但裂缝是否稳定及是否会有新的裂缝产生还有待研究.紧水滩拱坝有记录的裂缝共有357条,但大多裂缝开度很细小,不会对坝体性态产生影响.根据裂缝所处的位置、产状以及当时处理的情况,选定以下裂缝进行影响计算分析:上游坝面103、105、106、107m高程处沿坝体厚度深度为50m m的水平裂缝;下游坝面104、131m高程处沿坝体厚度深度为50mm的水平裂缝;8号横缝9号坝段106 m高程处沿上下游方向贯通的水平裂缝.采用三维有限元方法先对坝体和地基系统进行整体线弹性分析,判断裂缝的存在对坝体整体的影响,再使用子模型技术,基于接触力学分析方法对裂缝缝端进行深入研究,以判断裂缝的稳定性.坝体混凝土采用理想弹塑性本构模型和M ohr-Coulomb准则.2仿真计算模型2.1计算荷载基本荷载组合:工况1:正常蓄水位+自重+温降;工况2:千年设计洪水位+自重+温降.特殊荷载组合:工况3:万年校核洪水位+自重+温升;工况4:放空水位+自重+温升.水库正常蓄水位184m,千年设计水位190.29 m,万年校核水位192.70m,放空水位140m.下游无水.紧水滩有多年实测的坝体温度过程、实测的气温和水库水温变化过程,其中温升和温降是可能出现的坝体相对封拱灌浆时坝体温度的最大升幅和降幅,见表1.按5混凝土拱坝设计规范6(SL282-2003)计算出紧水滩大坝的多年平均温度荷载.以工况1为典型研究工况.8号~13号坝段后27武汉大学学报(工学版)第41卷为坝后式厂房,考虑厂房混凝土对坝体的压重影响.如坝面水压力一样,以混凝土的容重作用在下游坝面93~109m 高程上.计算中考虑的荷载为坝体自重、上游静水压力、温度荷载和下游混凝土压重.表1 实测温度荷载高程/m 温降/e 温升/e 平均温度T m线性温差T d 平均温度T m 线性温差T d 194 1.39-1.0418.95-1.04190 1.42-1.0418.49-1.051850.66 1.6717.29 1.67180 1.43 2.0316.83 2.19175 2.37 1.7914.950.93170 3.730.1514.63-2.89166 4.30 1.4113.55-0.64160 5.98-0.1212.54 3.19150 5.97-2.019.987.26140 6.52-11.219.79 3.38130 4.68 2.167.4817.08120 4.83 2.217.2215.00110 3.89 4.25 5.8915.24106.5 3.80 4.38 5.6914.87923.454.815.1614.452.2 计算参数本文探讨的是运行期裂缝的行为,不考虑混凝土的浇筑过程,坝体自重一次性施加,不考虑地基地应力的影响,即模拟时地基容重取为0.地基对裂缝的影响很小,简化采用线弹性本构关系.坝体和地基的主要物理力学参数见表2.坝体混凝土线膨胀系数为0.8@10-5/e ,凝聚力为2.45M Pa,内摩擦角为62.47b .表2 材料基本参数材料密度/(kg #m -3)弹性模量/GPa泊松比坝体2400220.2地基左岸115m 高程以上-150.2地基右岸150m 高程以上-150.2地基右岸110~150m 高程间-200.2地基其他部分-180.22.3 有限元计算模型模型计算范围以河床坝底中心为基准,向上游延伸约1.1倍坝高,为105m ,向下游延伸1.8倍坝高,为162m;地基深度延伸1.1倍坝高,为101m;以拱冠梁为基准,向左、右岸各延伸约2.7倍坝高,为250m.以八节点六面体单元为主,为了边界的过渡,辅之以退化的四面体单元.模型的单元总数为74497个,其中坝体单元为37566个,结点总数为69784个,其中坝体结点数为42047个.地基底面为全约束,上下游和左右岸边界取为法向约束.整体有限元网格见图1.裂缝在坝段上的分布见示意图2.图1 整体有限元网格图2 裂缝的剖面示意图(单位:m)针对坝面裂缝,共建立3个子模型:1)截取100~109m 高程的9号~13号坝段建立子模型1,包含上游面103、105、106、107m 高程裂缝,下游面104m 高程裂缝以及106m 高程贯通缝;2)截取105~107m 高程的8号和9号坝段建立子模型2,包含106m 高程贯通缝及上游面106m 高程裂缝;3)截取130~139.48m 的9号~11号坝段建立子模型3,包含下游面131m 高程的裂缝.子模型1的有限元网格见图3.上游坝面103m 高程裂缝平面示意图见图4.3 结果分析3.1 裂缝对拱坝整体工作性态的影响坝体混凝土采用简单的线弹性本构关系.工况1下,在整体模型中分别计算不计入裂缝和计入裂缝的影响,比较应力变形结果,如表3所示.两种方28第5期常晓林,等:紧水滩拱坝裂缝稳定性分析图3 子模型1有限元网格图4 上游坝面103m 高程裂缝平面示意图案下坝体的位移,第一主应力和第三主应力结果基本一致,说明裂缝的影响只是局部的,对坝体的整体工作性态基本无影响.位移以指向下游为正,应力以拉为正,下同.表3 拱坝应力变形值方案顺河向最大位移/mm第一主应力最大值/M Pa第三主应力最大值/M Pa 不计裂缝19.62 2.14-8.12计入裂缝19.622.12-8.12整体模型中不计入和计入裂缝的铅直位移如图5、6所示.图5 坝体铅直位移图(不计入裂缝,单位:mm)图6 坝体铅直位移图(计入裂缝,单位:mm)3.2 裂缝位置对裂缝稳定性的影响工况1下,先在整体模型中计入裂缝的影响,再对子模型1、2和3中的坝面裂缝进行缝端应力深入分析,坝体混凝土采用理想弹塑性本构模型和Mo hr -Coulomb 准则,此时暂不考虑缝面水压力的影响,即认为裂缝处于无水压的状态.结果表明,每条坝面裂缝的缝端都出现很大的应力,其中上游面裂缝表现为拉应力,而下游面裂缝则表现为压应力,这是符合拱坝工作状态的应力分布规律.对于同一条裂缝而言,不同坝段的应力随坝厚的变化总体趋势基本一致,而位于中间河床坝段的裂缝要比岸坡坝段所受的应力大些.这是由于岸坡坝段将所受的荷载传递到坝肩岩体承受.对于同一个坝段不同高程处的裂缝,应力随坝厚的变化总体趋势基本一致,而且裂缝所处的高程越低,缝端的应力相应越大,上游面和下游面的裂缝都遵循这个规律,即上游面103m 高程处裂缝缝端拉应力是上游坝面裂缝缝端拉应力中最大,下游面104m 高程处的裂缝比下游面131m 裂缝承受的缝端压应力要大.图7为10号坝段上游坝面裂缝第一主应力沿坝厚的分布曲线图.图7 10号坝段上游不同高程裂缝第一主应力沿坝厚的分布曲线图由于采用了非线性开裂计算,上游面103m高程处的裂缝缝端超标拉应力释放后,裂缝缝端最大拉应力仅为0.75M Pa,裂缝没有进一步地向下游扩展.106m 高程贯通缝的相邻坝段靠近下游面附近的拉应力达到了1.2M Pa,其他高程的裂缝缝端均处于弹性工作状态.拱坝上游面靠近地基部分的混凝土,一方面受到上游库水的推力作用,另一方面受到地基的约束作用,极易出现拉应力集中.越靠近地基,拉应力越大,裂缝的稳定性也越差.3.3 缝面水压力作用形式对裂缝稳定性的影响裂缝面上所受的渗透压力十分复杂,受到多种条件的影响.对于上游坝面裂缝,目前假定缝面水压力的分布形式有干缝(即不考虑缝面水压力的理想情况)和三角形(缝起点为该处水深的水头,末端为0);对于下游坝面裂缝,由于坝体挡水,认为一直处于干缝状态;对于106m 高程贯通缝,假定缝29面水压力的分布形式有干缝和三角形(缝上游端为该处水深的水头,下游端为0,即认为贯通缝完全漏水).对于缝面水压呈三角形分布,可以认为是考虑沿程水头损失的情况.工况1下,计算分析了两种缝面水压力分布形式下各上游坝面裂缝和106m高程贯通缝的缝端应力,见表4.两种缝面水压力分布形式下,应力随坝厚的变化总体趋势基本一致,裂缝缝端有较大的应力集中,坝体内部的应力基本不受裂缝的影响.考虑缝内水压后,上游坝面裂缝缝端的应力均有显著增大,最大应力出现位置与干缝状态下基本一致.表4不同缝面水压下缝端最大拉应力M Pa裂缝三角形缝面水压干缝水区103m裂缝 1.180.75105m裂缝 1.000.31 106m(远离106m贯通缝的部分)0.790.21 107m裂缝0.800.18106m贯通缝 1.20 1.20图8为两种缝面水压力分布形式下坝体第一主应力的比较曲线图.计算结果表明,比起缝面水压呈三角形分布,干缝更有利于裂缝的稳定.由此可见,裂缝表面水压力的存在对裂缝扩展起着关键的作用.因此,采图811号坝段上游坝面105m高程裂缝两种缝面水压分布方案下第一主应力的比较取工程措施以减小缝面渗透压力,是增强拱坝坝面裂缝稳定性、防止坝面裂缝继续扩展的重要措施.3.4其他工况下的结果分析各工况下上游坝面105、106、107m高程的裂缝缝端最大应力均未超过允许值,其中,工况4下各裂缝处整个断面都为压应力,对拱坝的正常运行十分有利.上游坝面103m高程裂缝、下游坝面104m高程裂缝及106m高程贯通缝的下游端,这些裂缝很有可能进一步开裂,需要对坝面裂缝采取工程措施,以确保这些裂缝的稳定,进而保证拱坝整体的有效运行.计算结果见表5.表5各工况下裂缝缝端的最大应力M Pa 工况1工况2工况3工况4103m裂缝干缝0.75 1.110.99-8.02三角形缝面水压 1.18 1.17 1.20-7.67105m裂缝干缝0.31 1.070.87-5.18三角形缝面水压 1.00 1.17 1.11-4.93106m裂缝干缝0.21 1.020.76-4.57三角形缝面水压0.79 1.160.94-4.37107m裂缝干缝0.18 1.080.75-4.63三角形缝面水压0.80 1.150.85-4.39贯通裂缝上游端干缝 1.20 1.04 1.20-6.54三角形缝面水压 1.20 1.20 1.20-6.10贯通裂缝下游端干缝-7.91-8.90-10.85-4.35三角形缝面水压-10.81-10.36-12.68-4.50 104m裂缝-7.02-8.35-9.62-4.014结语1)坝面裂缝的影响范围只在缝端附近非常小的区域内,是局部的,对坝体整体性态无大影响.2)裂缝所在的坝面高程越低,受到上游库水的推力和地基的约束作用越大,缝端的应力越大,越易扩展.3)缝面水压力的作用形式对裂缝的稳定性有重要影响.上游坝面的防渗、排水等措施有利于降低缝面上的渗透压力,对防止已有坝面裂缝的继续扩展有重大意义.(下转第62页)表7不同工况和紊动强度下的紊动动能时间/min 工况降解速率总体平均紊动能/(m2#s-2)k/(m2#s-2)6010.1501 2.55@10-6 2.56@10-6 20.1923 2.97@10-4 3.05@10-4 30.2756 4.85@10-4 5.03@10-4 40.3562 4.74@10-4 4.01@10-412010.4017 5.03@10-4 4.33@10-4 20.4163 5.62@10-4 4.97@10-4 30.5421 5.43@10-4 5.01@10-4 40.5972 6.60@10-4 4.03@10-4参考文献:[1]M isr a A K,P eey ush Chandra,Shukla J B.M athe-matical mo deling and analysis of the depletion of dis-solv ed o xy gen in water bodies nonlinear analy sis[J].Real Wo rld A pplicatio ns,2006,7(5):980-996. 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