紧水滩电站混凝土拱两岸横缝开裂的有限元数值分析.pdf

广西水利水电 G U A N G X I WA T E R R E S O U R C E S&H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1 5 ( 5 ) 工程整治 紧水滩电站混凝土拱两岸横缝开裂的有限元数值分析 陈海龙 ， 陈树 强 ( 广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司， 南宁5 3 3 0 0 0 ) 【 摘要] 以紧水滩水电站混凝土拱坝两岸横缝监测开裂的实际情况为例 ， 采用A N S Y S 有限元软件， 考虑} 昆 凝土材料 非线性 和横缝接触 非线性 ， 分析 了两岸 坝肩横缝开裂对拱 坝T作性态 的影 响 ， 并 对横缝开裂对 坝体 安全影 响做 出 综合评价。 【 关键词] 拱坝； 横缝； 开裂； 有限元分析； 紧水滩水电站 [ 中图分类号] T V 3 1 4 [ 文献标识码] B 【 文章编号] 1 0 0 3 — 1 5 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 5 - 0 0 5 8 - 0 3 1 概 述 在混凝土拱坝施工过程 中， 一般设置横缝将整 个 坝体划分为若 干坝段施工 。在各坝块浇筑到一 定高程后， 该高程以下的横缝通过灌浆逐步使各坝 段相互连接 ， 最终形成一个整体 。因此在对混凝土 拱坝结构设计和应力计算时 ， 都把它看作是一种整 体性很好的高次超静定空问壳体结构U I。但在实际 运行 中发现 ， 许多已建混凝土拱坝的横缝状态并非 像人们设想的那么理想 ， 即被水泥石充填密实 ， 使 相邻两坝体联结成一整体， 而是仍然存在缝隙， 有 的缝隙很 明显 ， 随着温度的升高和降低呈闭合和张 开变化。这些缝 面在加载过程 中可能出现张开、 滑 移现象或保持粘结状态 ， 有 时对坝体 的应力 、 变 形 均有较大影响。 2工程 概 况 紧水 滩水 电站大坝为三心双曲变厚混凝土拱 坝 ， 坝高 1 0 2 I T I ， 坝顶弧长 3 5 0 ． 6 m， 坝顶厚 5 m， 底部 最大厚度2 4 ． 6 m， 厚高t L 0 ． 2 4 。从左岸至右岸依序共 设 1 9 条横缝 ， 将拱坝分成 2 O 个坝段 ， 拱坝横缝布置 见 图 1 。 横 缝 第2 一。。 根据埋设 在拱坝横缝埋设 的测缝计 在运 行期 监测 资料 的分析判 断知 ， 该 拱坝 主要在第 2条和 第 1 8 条横缝处发生开裂， 缝宽变幅在1 ．3 3 ～ 2 ． 1 2 m m 之间。 3 有限元模型的建立及初始条件 3 ． 1 有限元模型 本文在用A N S Y S 建立有限元计算三维实体模 型时 ， 计算范 围的选取为 ： 坝上游取 1 ． 0 倍坝高 ， 下 游取 2 ． 0 倍坝高 ， 坝基 的深度方 向取 1 ． 0 倍坝高 ， 岸 坝间基岩取 1 ． 0 倍坝高。根据计算工况需要及周边 缝 和横缝 布置情况 ， 建立拱坝的整体有 限元 网格 。 然后根据横缝开裂与不开裂情况 ， 分别将缝处 的单 元属性进行相应的改变。计算分析 中， 坝体和坝肩 ( 基 ) 岩体采 用为 8 节 点 6面体单元进行有 限元离 散 ， 坝体横缝采用 4节点接触单元模拟并只计算线 弹性部 分的应力 变形 。整个计 算 区域共 离散为 3 2 9 2 0 个节点， 2 5 7 1 0 个单元， 其中沿坝体厚度方向 剖分为 4 层 ， 共计 1 4 8 6 4 个 节点 ， 1 0 1 9 6 个单元 ， 横 缝接触单元为 2 5 6 个。坝体和坝基整体三维有限元 模型见图 2 。 对含横缝 的碾压 混凝 土拱坝 的变形及应力分 布计 算结果 ： 横缝 开裂后 当缝 宽分别为 1 m m和 2 mm时与无缝时相 比， 拱坝 的应力和变形发生显 著 性变化 ， 但缝宽分别为 1 m m和2 m i ll 时， 拱坝的应 力和变形差别不是很大 ， 。所 以本文对拱坝横缝 f 收稿 日期】 2 0 1 5 - 0 8 — 3 1 【 作者简介】 陈海龙( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 广西南宁人， 广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司T程师， 硕士， 从事水利T程建设与管理T作。 5 g 广西水利水 电 G U A N G X I WAT E R R E S O U R C E S&H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1 5 ( 5 ) 开裂数值分析计算 中坝体横缝开裂宽度 为 2 mlT l 。 计算 中有 限元的2 条横缝 ， 分别为第 2 条和 1 8 条 ， 为 贯穿性横缝 ， 从坝底延伸到坝顶。横缝的数值模拟 采用离散型缝单元， 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。 图2 拱 坝坝体及坝体 网格模型图 由于计算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 1 。坝体混凝土线 膨胀系数为 0 ． 8 1 0 ／ ℃， 凝 聚力为 2 ． 4 5 MP a ， 内摩擦 角为 6 2 ． 4 7 。 。 表 1 材料参数表 募 密 度 ) 降 陛 模 量泊 松 比 豢 吾C IM／ (k g／m ／G P a 1／ C P a 分 区 ) ⋯ ⋯数 ，( 。 ) ⋯ 地基部分0 1 8 0 ． 1 5 一 一 一 3 ． 2 荷载及工况 根据《 混凝土拱坝设计规范》 ( S L 2 8 2 --2 0 0 3 ) 的 要求和工程的实际情况， 计算中考虑的荷载为坝体 自重 、 上游静水压力和温度荷载。 荷载组合分基本荷载组合和特殊荷载组合两 类 ， 根 据工程 的实际情况和规范要求 ， 综合分析选 取了3 种计算荷载组合 ： 基本组合为 ： ( 1 ) 坝体 自重+ 正常蓄水位 1 8 4 ．0 m + 温降； ( 2 ) 坝体 自重+ 最低消 落水位 1 6 4 。0 m + 温升； 特殊组合为： ( 3 ) 坝体自重+ 校核洪水水位 1 9 2 ． 7 m + 温升。 为研究结构非整体性 对拱坝工作性态的影响 ， 考虑计算了6 种计算工况。 工况 ( 1 ) ： 无缝非线性分析( 坝体 自重+ 正常 蓄 水位 1 8 4 ． 0 m + 温降) ； 工况( 2 ) ： 有缝非线性分析( 坝体 自重+ 正常蓄 水位 1 8 4 ． 0 m+ 温降 ) ； 工况 ( 3 ) ： 无缝非线性分析( 坝体 自重+ 最低消 落水位 1 6 4 ． 0 m+ 温升) ； 工况( 4 ) ： 有缝非线性分析 ( 坝体 自重+ 最低消 落水位 1 6 4 ． 0 m+ 温升) ； 工况( 5 ) ： 无缝非线性分析 ( 坝体 自重+ 校核洪 水水位 1 9 2 ． 7 m+ 温升) ； 工况( 6 ) ： 有缝非线性分析 ( 坝体 自重+ 校核洪 水水位 1 9 2 ． 7 m+ 温升) 。 4 非线性开裂计算成果及分析 本文计算 中， 顺河 向位移 以指 向下游为正 ， 垂 直河 向位 移 以指 向左岸 为正 ， 铅直 位移 以向下为 正 ， 单位为m m， 应力以拉为正， 压为负， 应力单位为 MP a 。分别考虑分析坝体在温降和温升条件下横缝 开裂前后坝体整体性能的影响。 4 ． 1 温降条位下坝体位移、 应力分析 4 ． 1 ． 1 位移计算成果分析 拱坝在正常蓄水位 1 8 4 ．0 I n 下的特征位移包 括顺河向位移， 横河向位移， 铅直方向位移， 坝体在 有缝和无缝工况下的特征位移见表2 。 表2 温降拱坝在正常蓄水位下各工况特征位移值m m 综合 比较无缝与有缝状态下横缝 开裂对 坝体 影响可知， 在正常水位温降工况下， 有限元计算成 果基本一致 ， 说 明横缝开裂对坝体的位移影响不是 太大， 且有限元计算成果与坝体实际位移监测成果 比较接近 ， 进一步说 明有限元计算仿真比较成功。 4 ． 1 ． 2 应力计算成果分析 拱坝在正常 蓄水位 1 8 4 ．0 m下 的特征应力包 括上 、 下游面拱 向应力 ， 梁 向应力 ， 第一主应力 ， 第 三主应力 ， 坝体在有缝和无缝工况下的特征应力及 应力计算成果表 3 。 表 3 温降时拱坝坝面特征应力值 M P a 工况f 1 ) 0 ． 4 4 ／ - 2 ． 9 4 1 ． 3 5 1 ． 5 4 — 3 ． 2 6— 0 ． 3 4 ／ 一 3 ． 9 8 0 ． 2 0 ． 1 4— 5 ． 2 7 工况f 2 ) 0 ． 5 0 ／ 一 2 ．9 5 1 ． 4 5 1 ． 8 0 - 3 ． 2 7- 0 ．2 9 ／ - 4 ． O 1 O ． 3 4 O ． 2 6- 5 ． 3 2 59 陈海龙 ， 陈树强 ： 紧水滩 电站混凝土拱两岸横缝开裂的有限元数值分析 综合 比较无缝与有缝状态下 ， 横缝开裂对坝体 应力影响可知， 在正常水位温降工况下 ， 横缝开裂 后坝体拱坝坝踵拉应力均有所增大 ， 其 中上游面梁 向和第一主应力增幅较大 ， 对坝体受力影响较大 ， 上游面拱向和第三主应力变幅较小 ， 说 明在正常蓄 水位条件下坝肩横缝开裂对坝体还是有一定影响。 4 ． 2 温升条件下坝体位移 、 应力分析 本文温升条件下的水位分别考虑了最低消落 水位和校核洪水位 ， 工况 ( 3 ) 、 ( 4 ) 为拱 坝在无缝 和 有缝下， 坝体在最低消落水位 1 6 4 ．0 m和温升条件 下的计算情况 ； 工况 ( 5 ) 、 ( 6 ) 为在无缝和有缝下 ， 校 核洪水水位 1 9 2 ．7 m和温升条件下的计算情况， 在 上述工况下的坝体位移特征值见表 4 ， 特征应力见 表 5 表 4 温升时拱 坝各 工况特征位移值 a m 综合 比较温升时坝体在最低消落水位和校核 洪水位的变形和应力可知 ， 温升对坝体变形和应力 影响较大 ， 比较有缝和无缝两种情况可知 ， 两岸坝 肩横缝开裂对坝体变形和应力影响较小 ， 对坝体的 整体性影响不是太明显。 5 结 论 ( 1 ) 拱坝两岸坝肩的横缝开裂对拱坝 的位移场 表 5 温降时拱坝坝面特征应 力值 M P a 上游面 下游 面 1- 。 最大／ ／ J , 最大 最大 最小最大／ ， J 、 最大 最大 最小 拱向 梁 向 主应 主应 拱 向 梁向 主应 主应 应力 应力力 力 应力 应力 力 力 工况 ( 3 ) 一 0 ． 1 5 ／ 一 5 ．0 9- 0 ． 8 6 0 ． 1 1— 5 ． 0 7 0 ． 2 6 ／ - 1 ． 3 8 1 ． 2 1 1 ． 6 5— 3 ． 8 7 工况f 4 ) 一 0 ． 1 3 ／ - 5 ．0 3- 0 ．5 1 0 ．0 7 — 5 ． 0 0 0 ． 2 7 ／ -1 ． 3 6 1 ． 1 7 1 ． 5 8- 3 ．8 1 工况f 5 )0 ． 3 9 ／ 一 5 ．5 7 0 ．4 5 1 ．4 8— 5 ． 6 5— 0 ．0 6 ／ 一 5 ． 5 7 1 ． 7 5 1 ． 8 7— 5 ．6 5 工况f 6 1 0 ． 4 4 ／ 一 5 ．4 9 0 ．4 7 1 ． 5 0 - 5 ． 5 7- 0 ．0 1 ／ 一 5 ． 4 9 1 ． 7 8 1 ． 9 1- 5 ．5 7 影响不大。由于拱坝是受压结构， 尽管横缝按不抗 拉考虑， 但在横缝的拉开、 闭合和错动过程中仍能 较好的传递拱向压力 ， 拱的整体作用仍然存在， 所 以横缝开裂部位在两岸坝肩处且数值较小时 ， 只是 梁的作用有所加强， 对拱坝位移场影响较小。 ( 2 ) 横缝开裂对各种不利工况作用下对坝体应 力场的影响也较小 ， 主要是 由于开裂 的位置在两岸 靠近坝基肩的位置 ， 且水压荷载在坝体荷载 中所 占 比例较大 ， 在其作用下横缝 的间隙可 以部分闭合 ， 从而可以整体 由拱量共同分担荷载的状况 ， 不至于 使梁的作用大大加强 ， 总体来说坝肩横缝的开裂对 坝体整体受力影响不明显。 参考文献 【 1 ] 美国垦务局腆 坝设计【 M】 ． 北京： 水利电力出版社， 1 9 8 4 ． [ 2 】 郑璀莹 ， 混凝土坝中各种接触面的数值模拟方法研究 及应用F D ] ． 北京： 中国水利水 电科学研究院博士学位论文， 2 0 06 [ 3 】 刘光庭 ， 邱德隆． 含横缝的碾压混凝土拱坝的变形及应 力分布[ J J ． 清华大学学报( 自然科学版) ， 1 9 9 6 ， 3 1 ( 1 ) ： 2 0 — 2 6 ． 【 4 ] 韩晓凤 ， 张仲卿． 高碾压混凝土拱坝横缝开合度对拱坝 安全的影响[ J ] ． 红水河 ， 2 0 0 2 ， 2 1 ( 1 ) ： 1 6 — 1 9 ． ( 责任编辑： 刘征湛) F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s f o r t r a n s v e r s e j o i n t c r a c k s a t b o t h a b u t me n t s o f c o n c r e t e a r c h d a m o f J i n s h u i t a n Hy d r o p o w e r P r o j e c t CHEN Ha i — l o n g． CHEN S h u— q i a n g ( G u a n g x i D a t e n g x i a Wa t e r C o n s e r v a n c y D e v e l o p me n t C o ． L t d ． ， N a n n i n g 5 3 3 0 0 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e c o n c r e t e a r c h d a m o f J i n s h u i t a n H y d r o p o w e r P r o j e c t h a d s e e n t r a n s v e r s e j o i n t c r a c k s a t b o t h a b u t — me n t s ． W i t h ANSYS fin i t e e l e me n t s o ftwa r e，t a ki ng i nt o c o ns i d e r a t i o n t h e c o n c r e t e ma t e r i a l no n l i ne a r i t y a n d t r a ns — v e r s e j o i n t c o n t a c t n o n l i n e a r i t y ，t h e a u t h o r a n a l y z e d t h e i n f l u e n c e o f c r a c k s o n a r c h d a m o p e r a t i n g p e r f o r ma n c e ， a n d ma d e c o mp r e h e n s i v e a p p r a i s a l f o r d a m b o d y s a f e t y ． Ke y w o r d s ： A r c h d a m； t r a n s v e r s e j o i n t ； c r a c k ； fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ； J i n s h u i t a n Hy d r o p o w e r P r o j e c t