混凝土壩中各種接觸面的數(shù)值模擬方法研究及工程應(yīng)用.pdf

1、混凝土壩工程橫縫、縱縫，以及由于各種因素引起的混凝土裂縫是普遍存在的。這些縫面在加載過程中可能出現(xiàn)張開、滑移現(xiàn)象或保持粘結(jié)狀態(tài)。對這些有縫結(jié)構(gòu)進行計算分析時，接縫及裂縫狀態(tài)的變化會使得接觸界面的范圍和界面上的應(yīng)力和位移不斷發(fā)生變化。如何根據(jù)已有觀測數(shù)據(jù)，用數(shù)值方法模擬裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展和狀態(tài)變化，以及分析裂縫、澆筑層面、縱橫縫等壩體內(nèi)各種結(jié)合面的存在及開合變化對大壩運行性態(tài)的影響是全面把握大壩真實工作性態(tài)的重要依據(jù)。 本文的研究結(jié)

2、合中國大唐公司項目“陳村拱壩安全度計算分析”進行，通過對接觸面的開合迭代算法進行研究，實現(xiàn)了對接觸面開合狀態(tài)變化的模擬，并在該模型基礎(chǔ)上考慮了鍵槽、灌漿、縫面水壓、縫內(nèi)充填物等的影響，使所建立的接觸面模型能夠模擬混凝土壩中各種接觸面，可用于分析各種接觸面狀態(tài)變化對大壩受力和變形的影響，亦可在仿真分析中用來進行混凝土壩真實工作性態(tài)的研究。同時，利用所建立的考慮縫面水壓的接觸面模型對高重力壩壩踵水力劈裂展開了初步研究。 本文完成的主

3、要工作包括以下幾個方面： 1．模型及計算方法研究方面：①建立了能模擬接觸面開合狀態(tài)變化的零厚度接觸面模型，并給出了模型中法向剛度系數(shù)和切向剛度系數(shù)的取值范圍；②在接觸面模型中考慮裂縫填充物的影響，模擬填充物引起的裂縫開度逐年遞增；③推導(dǎo)了梯形、三角形、球面鍵槽等不同形式鍵槽模型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，在零厚度接觸面單元中加入了鍵槽模型，提出了鍵槽面接觸后不發(fā)生滑動的條件，并且對鍵槽面接觸后發(fā)生相對滑動的數(shù)值模擬方法進行了初步探討；④通過

4、對精細鍵槽模型進行的大量計算，給出不同體形參數(shù)的梯形鍵槽的剪切剛度系數(shù)建議取值。 2．程序編制方面：①在程序中建立接觸面單元模型；②建立了驗證算例，驗證本文接觸面單元的正確性和收斂性，并分別對開合迭代模型、考慮裂縫填充物的接觸面模型和帶鍵槽的接觸面模型進行了驗證。 3．基于全過程仿真分析的陳村拱壩裂縫分析及安全度評估：將所建立的接觸面單元用于模擬陳村拱壩壩段間橫縫、一二期混凝土結(jié)合面，以及壩體主要裂縫，通過對陳村拱壩進行

5、從施工期到運行期的全過程仿真分析，得出接縫、裂縫在氣溫、水壓等作用下開合變化過程，由此可以研究橫縫和壩體主要裂縫對大壩運行性態(tài)的影響，并在全面掌握大壩真實工作性態(tài)的情況下對整壩進行安全度評估。計算表明，裂縫的開合狀態(tài)與時間和位置相關(guān)：裂縫表面冬季張開、夏季閉合，而內(nèi)部夏季張開、冬季閉合，裂縫狀態(tài)的變化使得105m高程以上壩塊在低溫季節(jié)（11月-2月）出現(xiàn)往上游變位的小高峰。通過計算可知，不考慮施工期影響，或不考慮裂縫開合影響時，計算所得

6、安全系數(shù)偏大，基于全壩全過程仿真分析的混凝土壩安全度評估求得的安全系數(shù)比較符合真實情況。 4．與李新宇博士合作，對高重力壩壩踵水力劈裂進行了初步研究，完成的主要內(nèi)容包括：①對水力劈裂試驗進行數(shù)值模擬，所得臨界劈裂水壓與試驗結(jié)果和斷裂力學(xué)解對比，誤差均在5％以內(nèi)，說明用本文考慮縫面水壓的接觸面單元來模擬水力劈裂作用下的Ⅰ型裂縫是合理可行的；②對高碾壓混凝土重力壩壩踵水力劈裂現(xiàn)象進行初步研究，結(jié)果表明，對于按照現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計的200m

7、級高碾壓混凝土重力壩，如果壩踵區(qū)混凝土存在施工冷縫導(dǎo)致的薄弱層面，則在高壓水作用下，可能發(fā)生水力劈裂，并可能危及到防滲帷幕；③對285m高的大狄克遜壩（Grand Dixence）和按無拉應(yīng)力準則確定的、相同壩高的混凝土重力壩進行水力劈裂計算，結(jié)果表明，前者不發(fā)生水力劈裂，而后者在縫面水壓達到2.37MPa時發(fā)生水力劈裂，說明上游壩面的最小容許應(yīng)力應(yīng)為壓應(yīng)力；④建議在200m級高混凝土重力壩、高碾壓混凝土重力壩斷面設(shè)計時，上游壩面的最小