混凝土坝坝体裂缝在地震荷载下扩展研究的几个关键问题.pdf

第 1 3 卷第 6 期 2 0 1 5 年 1 2 月 中国水利水 电科学研究 院学报 V o 1 1 3 N 0 6 J o u r n a l o f Ch i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o we r Re s e a r c h De c e mb e r , 2 0 1 5 文章编 号： 1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 4 7 3 0 4 混凝土坝坝体裂缝在地震 荷载 下扩展研 究的几个 关键 问题 郭胜山 。 ，张爱静3 7李德玉 ，翟恩地 ( 1 中 国长江三峡集团公司 ，北京 1 0 0 0 3 8 ；2 中国水利水电科学研究院 工程抗震研究 中心 ，北京 1 0 0 0 4 8 ； 3 南水北调 中线干线工程建设管理局 ，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要 ：位于我国西部强震区的高混凝 土坝 ，如小湾 、二滩等 ，施工期或运行期在坝体表面以及坝体 内部 出现 了一 定范围的裂缝 。鉴于这些高坝工 程的极端 重要性 ，裂缝在地震作用下 的扩展性问题为学术 界和工程界关注 。针对 混凝 土坝坝体 裂缝 在地震荷 载下 扩展研究 的关键性 问题 ，包括地震动输入 、坝体已有裂缝及其裂缝处理措施的模 拟 、缝端 混凝 土破损路径及其破损程度 的模拟等研究现状分别进行讨 论。最后指 出了下一阶段的研究方 向。 关键 词 ：混凝 土坝 ；裂缝扩展 ；地震荷载 中图分类号 ：T V 6 4 2 文献标识码 ：A d o i ：1 0 1 3 2 4 4 6 c n k i j i w h r 2 0 1 5 0 6 0 1 2 1 研究背景 裂缝 是 混凝 土坝 运行 期影 响 大坝 安全 最普 遍 、最重 要 的 因素。 目前我 国大 批 高坝工 程 已经投入 运行 ，小湾拱坝 、二滩拱坝 等都 出现 了范围不等的裂缝。我 国西部地区高坝承受的水推力巨大 ， 地质环境复杂 ，施工难度大 ，随着高坝运行年龄的增长 ，坝体将面临出现不同程度裂缝的风险。我 国 是 多地 震 国家 ，西部 地 区地质 构 造 运 动强 烈 ，地 震 活动 显 著 ，地 震 烈度 高 ，水 能 资源 充 沛 的地 区 通 常为 强 震 区 。地 震荷 载 是 混凝 土 坝 运行 期 引 发大 坝 安全 问题 的重 要荷 载 。对 于带 裂缝 运行 的混凝 土坝 ，尤其是规模大、位于重要部位 、连通性强的裂缝 ，削弱了坝体的整体性 ，影响了受力安全和 正 常使用 。由于缝 端应 力 集 中 ，坝 体 已有裂 缝 在地震 荷 载作 用下 有 向裂缝 深部 扩展 的可 能性 ，对 大 坝安 全运 行带 来重 要 隐患 。 潘家铮院士曾说 ：“ 我们要向国家庄严保证中国水 电特别是大坝 的安全是绝对有保证的。在任 何情况下要保持谦虚谨慎态度 ，要坚持安全和质量第一 。对一些重要决策 ，如无确切把握 ，要留余 地 ，要有 预 案 ，要慎 之 又慎 。 ”因 此 ，密切 结合 工 程实 践 ，研 究带 裂缝 运行 的混 凝 土坝 在地 震荷 载下 的裂缝 扩 展机 制及 其控 制措 施 ，对 于确 保高 坝安 全运 行具 有重 要意 义 。 本文针对混凝土坝坝体裂缝在地震荷载下扩展研究涉及的地震 动输入模型 、坝体 已有裂缝及裂 缝 处 理 措施 的模 拟 、裂 缝 缝端 混 凝 土破 损 路径 及 其 破损 程 度 的模 拟 等关 键 问题 进 行讨 论 ，在 此基 础 上 ，本 文提 出下 一 阶段 裂 缝扩 展 研 究 的新 思路 ，并 结合 裂 缝处 理 措施 ，初 步建 立 裂缝 扩 展模 拟 ，工 程 处 理措施 反 馈分 析 ，最终 达 到裂缝 控 制 的框 架 。 2 坝体裂缝在地震荷 载下 扩展的几个关键 问题 2 1 地震动输入模型 地震动输入模型是是坝体动力分析的前提与基础。地震动输入主要分为将结 构视为封闭体系的结构振动问题和将结构地基视为开放系统的波动问题。与前者相对应的典型计算 模 型 是 C l o u g h 教 授 主持 开 发 A D A P程序 时 提 出的无 质 量 地基 模 型 。无 质 量地 基 模 型 只考 虑 地基 的弹 性 作 用 ，忽 略 了地基 岩 体 的惯 性力 ，避 免 了地 震 波在 地 基 岩体 中的放 大作 用 ，是早 期 坝体 地震 动 分 收稿 日期 ：2 0 1 5 0 8 1 0 基金项 目：水利 部公益 行业专 项“ 抗行业 专项 1 5 1 9 ” ；中国水利水 电科学研究 院专项“ 抗基本科研 1 5 0 9 ” 作 者简介：郭胜 山( 1 9 8 5 一 ) ，男 ，河南新乡人 ，工程师 ，博士 ，主要从事水 工结构 与高坝抗震研究 。E - ma i l ：g u o s s i w h r t o m - - 4 7 3 - 混凝土坝坝体裂缝在地震荷载下扩展研究 的几个关键 问题郭胜山 张爱静李德玉 翟恩地 析计算的一种简化处理方法 。对于位于深山峡谷的大坝工程 ，地震动响应实际上是坝体与地基相互 作用的过程 ，因此应将坝体地基视为开放系统考虑，其中远域地基辐射阻尼是研究热点 。研究方法 分 全局 人工 边 界和 局部 人工 边 界 ，包括 边 界元 方法 、透 射人 工 边界 、黏性 人工 边界 和 黏 弹性人 工边 界 。 2 2 坝体 已有 裂缝 以及 裂 缝处 理措 施 的模拟 坝 体 已经 出现 的裂 缝 以及裂 缝处 理 措施 的模 拟 ，与缝 端 应力 状态 密 切相关 ，是研 究 坝体 裂缝 扩 展 的基 础 。坝体 裂 缝 大致分 为 具有 一定 缝 开度 的张开 型 裂 缝和处于剪切状态的滑移 型裂缝 以及两者的组合 。裂缝的处理措施主要包括灌浆处理 、限裂钢筋 等 。裂缝在 地 震荷 载 下有 可能 出 现张 开 、闭合 、错 动等 ，从 而 引起缝 端 应力 状 态变 化 ，接 触模 型是 模 拟裂 缝状 态 适用 性 较强 的模 型 。接 触模 型 物理 概念 清 晰 ，接触 非 线性 在数 学 上属 于 强非 线性 ，求 解 这类 强非 线 性数 学 问题 是接 触 非线 性 的热 点 。接触 模 型主 要包 括 罚 函数 法和 接触 力模 型 。罚 函数 法 以 G o o d ma n 单元 为 代表 ，以无 限大 抗压 刚 度 ，零抗 拉 刚度 的非线 性 弹簧 单元 模 拟缝 面 的 闭合 和 张 开 。该方 法 的物 理 概念 简单 ，但 需 人为 假定 罚 刚度 ，需 要 一定 的计算 尝试 和 经验 ，并 且 会 出现 接 触面互相嵌入 。接触力模型数学推导严谨 ，将接触力视为拉格朗 日乘子求解 ，并且不需要假定罚 刚 度 ，不会 出现接 触 面互 相嵌 入 。接 触模 型 应用 于 坝体 已有 裂缝 模 拟关 键 问题 是对 接 触模 型扩 充 修 正 ，将 接触 力 模 型 的数学 推导 与 裂缝 物理 状 态相 结合 。扩充 后 的接 触模 型模 拟 裂缝 应包 括 缝 的初 始 间隙 、缝 的抗拉强度 、缝的剪切摩擦 、灌浆材料的厚度以及材料参数 、限裂钢筋等因素 ，对已有 裂缝 模拟 的精 确程度 将对裂 缝尖 端破 裂 的模 拟有 重要影 响 。 2 3缝端 混凝 土破 损 路径 及其 破损 程 度的模 拟裂缝 缝 端混 凝 土破损 路 径及 其破 损程 度关 系 到大 坝 安 全 ，是 工程 人员 关 注 的重点 ，同 时也是 科 研人 员 研究 的热 点 。混 凝土 是 由多 种 人工 及天 然 材料 组 成 的 复合 材 料 ，这 种 复合 材 料 的裂 缝 扩展 机 制 十分 复 杂 。 目前 ，研 究 混 凝 土裂 缝 扩 展包 括 有 限元 、 扩展有限元 、流行元 、等多种数值方法 ，也包括损伤力学模型 、断裂力学模 型、弥散裂缝模型等多 种 分析模 型 。流形 元 法 由石 根华 于 1 9 9 1 年 提 出 ， 将基 于 连续力 学 的有 限单元 法 和基 于不连 续分 析 方 法 的 D D A结合 起 来 ， 可 分 析结 构 的 应 力分 布 和 破 坏之 后 的 块体 运 动 规 律 ， 具 有很 强 的 适 应性 。 张 国新等 在 石根 华 的基 础上 进行 了改进 ，模 拟 了地 震作 用下 K o y n a 重 力坝 的开 裂过程 。扩 展有 限元 法 由B e l y t s c h k o 等 基于单元分解理论提出的模拟裂缝扩展 的有效方法 ，它克服了常规有限元要求裂 缝 沿单 元边 界 发展 以及裂 缝扩 展 过程 需 网格 重剖 分 的缺 点 ，可 实现 裂缝 连 续扩 展 过程 的模 拟 。潘 坚 文 等 运 用 扩 展有 限元 法研 究 了重 力 坝 在强 震 中多条 裂 缝 的 同时 开 裂 的行 为 。在 数 值模 拟 方 法上 ， 流 形元 法 、扩 展有 限元法 的研 究 应用 主要 在 平 面 问题上 ，对 于 三维 复 杂结 构 的研 究 ，还需 要 理论 与 算 法上 进 一 步 的探 索 。有 限元 在 三维 模 拟方 面适 用 性更 强 ，研 究人 员基 于有 限元 方法 将损 伤 断 裂理 论 应用 于混凝 土破 坏模拟 。 研 究人 员 发现 混凝 土 裂缝 尖 端存 在微 裂 缝 区 ，微裂 缝 区不 断发 展形 成 宏 观裂 缝 ，这 一发 现促 使 了非 线性 断 裂力 学 的发展 ，H i l l e r b o r g ” 提 出 了虚 拟 裂缝 模 型 ，并发 展 了基 于 断裂 力学 的弥散 裂缝 模 型 。周元 德 采 用弥 散 裂缝模 型 分 析 了拱 坝 的动力 开 裂研究 。损伤 模 型将 混凝 土 材料 破 坏 的原 因归 结 为 颗粒 黏结 强 度 的丧失 ，造成 材料 的结合 力下 降 ，认 为 其 内部 的微 裂 隙不 断发 展导 致 了材 料 刚度 和强度的弱化。文献l 2 1 采用塑性损伤模型研究了K o y n a 坝震害。钟红 将考虑细观不均匀性的损伤 模 型应 用于 大 岗山整体 坝动 力分析 。郭 胜 山 研究 了 K o y n a 重力 坝地 基体 系 、沙 牌拱 坝地基 体 系的地 震 损 伤破 坏情 况 。基 于 有 限元法 的混凝 土破 坏模 拟 中 ，弥 散裂 缝模 型 和损 伤模 型 能 够应 用 于模 拟三 维 问题裂缝的扩展路径 ，但是裂缝是以破损带的形式表征 ，且裂缝带宽度要远大于裂缝的张开和滑 移 量 ，因此不 能较 直观 表征裂 缝 的张开 、滑移 实际情 况 。 3 下一 阶段需加强 的研究工作 鉴 于 混凝 土 裂缝 扩展 及 其混 凝 土坝 地震 动 反应 的 复杂 性 ， 目前还 没 有一 套能 够 较 为系 统 和完整 的适 用 于地 震荷 载 下混 凝 土坝 三维 裂缝 扩 展预 测 以及 反馈 控制 裂 缝扩 展 的方 法 。笔 者及 其合 作 者 在 - 4 7 4 - 混凝 土坝坝体裂缝在地震荷载下扩展研究 的几个关键 问题郭胜 山 张爱静李德玉 翟恩地 混 凝 土动 态 材料 试 验 的基 础 上 ，基 于 接触 模 型 、损 伤 力学 、预设 裂 缝 接触 模 型提 出了一 种 预测 坝 体 混凝 土 裂缝 扩 展 的方 法 ，其基 本 思想 如下 所述 ：( 1 ) 第 一 步 ：采用 扩充 的接触模 型模拟 混凝 土 已有 裂 缝 ，计算 缝 端应 力 分 布 ，预测 缝端 混凝 土 是 否继续 开 裂 ；( 2 ) 第二 步 ：在第 一 步 的基础 上 ，采用 考 虑 强度 和 刚度 降低 的损伤 力学 模 型模 拟缝 端 混凝 土 开裂 路径 ，裂缝 以破 损单 元带 的形 式表 现 ；( 3 ) 第 三 步 ：在 第 二 步 的基 础上 ，将 裂缝 破 损路 径 以预设 裂 缝接 触 模 型考 虑 ，将 混凝 土强 度作 为 预设 裂 缝 的 缝 间强度 计算 裂缝 张 开 、滑移 数值 。 该方法结合了损伤力学能够预测裂缝扩展路径和扩展方向的优点、预设裂缝接触模型能够以裂 缝 张开 和滑 移 的形式 表 征 混凝 土 破 裂 的优 点 ，可 直 观表 述 裂缝 的破 裂路 径 和破 裂程 度 ，并且 能够 在 三维 问题 上应 用 。 在 下 一 步研 究 工 作 中拟 结 合 裂缝 状 态扩 充 后 的接 触 模 型 、损 伤 与断 裂力 学 模 型 、预设 裂 缝接 触 模 型 、高性 能 并行 计 算 方法 、混 凝 土坝 地震 动反 应 的有 限元 方 法 ，对 地震 作 用 下混 凝 土 坝裂 缝稳 定 性 进 行分 析 研 究 ，建 立 一种 能 够 适用 于 地震 荷 载 下混 凝 土 坝三 维 裂缝 扩 展机 理 研究 及 其有 效 控制 的 理 论 与方 法 ，并 结合 西 部 强震 区高 混凝 土 坝 进 行实 例 分 析 ，以验证 方 法 的可 行 性 和适 用 性 。 图 1 所 示 为技 术路 线示 意 图 。 接触模型 l 混凝土动态材 j - 模拟坝体 l 料试验数据 I 根据第二阶段 l 根制接 l 对预要 l 预测的裂缝扩 I 据 因触 - 采测求 已有 裂缝 l L 。- -_ -_ - 。， 。 。 ， ，一 l 展路径重新调 I I l 取 l l I 第素力 l 及裂缝处 l 1 整有限元网格 I 三 、 数 l l 优确如 理措施 - 1 _ 阶裂值 l I 化定不 l 接触模型模 I l I 段缝等 l l 措措满 裂 接触 模 型拟 - I 施施 足 缝 坝体 已有裂 预张 后 是返 l I 控 测开提 缝及裂缝处 的滑出 I l 的否回 制 理措施 裂移优 I I 坝满第 缝量化 l 体足四 - 扩 以措 l 裂裂 阶 预设裂缝接 l 展及施 I 缝缝段 l 拟 坝 体 已有 l l 触 模 型 拟缝 I 模法。 扩稳。 计算缝端应 j _ j 裂缝及裂缝 处理措施 I 力分布，判 I I 断裂缝是否 i I 扩展 j 损伤模型模 ； 拟缝 端混凝 土 裂缝扩展j 路径 j f l 端混凝土裂 I 式向 展定 I - 、 切 l 缝张开滑移 I l I 数值 I 控 向 I 参 考 文 献 ： 1 2 7 8 图 1 技术路线 圈 圈 朱伯芳 建设 高质量永不裂缝拱坝 的可行性及实现策略 J 水利学报 ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 1 0 ) ： 1 1 5 5 1 1 6 1 刘耀 儒 ， 王 峻 ， 杨强 ， 等 小湾 拱坝坝 体裂缝 对拱坝受 力和 稳定 的影 响研究 J 岩石力学 与工程学 报 ， 2 0 1 0， 2 9 ( 6 ) ：1 1 3 2 1 1 3 9 杨剑 基于原型观测 资料 的二滩拱坝下游坝面裂缝成因分析 D 北京 ： 清华大学 ， 2 0 0 5 张国新 ， 李海枫 用 断裂力学研究混凝土裂缝的允许灌浆压力 J 水利水 电技术 ， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 1 2 ) ： 5 2 5 5 潘家铮 水 电要 为减排做更多 的贡献 J 中国三峡 ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 5 1 1 C h o p r a A K， e t a 1 Mo d e l i n g o f d a m- f o u n d a t i o n s i n t e r a c t i o n i n a n a l y s i s o f a r c h d a m s C P r o c 1 0 t h WC E E M a dr i d，1 99 2 D o m i n g u e z J ，e t a 1 Mo d e l o f t h e s e i s mi c a n a l y s i s o f a r c h d a m s i n c l u d i n g i n t e r a c t i o n e f f e c t s C P r o c 1 0 t h W CEE Ma dr i d，1 9 92 Z h a n g C H， J i n F ， Wa n g G L S e i s mi c i n t e r a c t i o n b e t w e e e n a r c h d a m a n d r o c k c a n y o n C P r o c 1 l t h WC E E Ne t h e r l a n ds ：El s e v i e r ，1 9 96 - - - 4 75 - 混凝土坝坝体裂缝在地 震荷载下扩展研究的几个关键问题 郭胜 山 张爱静 李德玉 翟恩地 9 涂劲 有缝界面的混凝 土高 坝一 地基体 系非线性地震波动反应分析 D 北京 ： 中国水利水 电科学研究 院 ， l 99 9 1 0 刘 晶波 ，吕彦东 结构一 地基 动力相 互作用 问题分析 的一种直接 方法 J 土木 工程学报 ， 1 9 9 8 ， 3 l ( 3 ) ： 5 5-6 4 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 张伯艳 高拱坝坝肩抗震稳定研究 D 西安 ： 西安理工大学 ， 2 0 0 5 杜修力 ， 赵密 基于黏弹性边界的拱坝地震反应分析方法 J 水利学报 ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 9 ) ： 1 0 6 3 1 0 6 9 F e n v e s G L ， Mo j t a h e d i S ，R e i m e r R B N o n l i n e a r E a r t h q u a k e A n a l y s i s o f a r c h d a m R e s e r v o i r【 C J P r o c 1 0 t h， W CEE Ma d r i d，1 9 92 郭胜山 基于并行计算的混凝土坝一 地基体系地震损伤破坏过程机理 和定量评价准则研究 D 北京 ： 中国 水利水电科学研究院 ， 2 0 1 3 S h i G H Ma n i f o l d m e t h o d o f ma t e r i a l a n a l y s i s C T r a n s 9 t h A r m a C o n f O n A p p 1 M a t h A n d C o m p ， R e p No9 2-1 US Ar myRe sOf f i c e，1 9 91 张 国新 ， 金 峰 ， 王光纶 用基 于流 形元 的子域奇异边界元法模拟重力坝 的地 震破坏 J 工程力学 ， 2 0 0 1 ， 1 8 ( 4) ：1 8 - 2 7 Be l y t s c h k o T，B l a c k T E l a s t i c c r a c k g r o w t h i n f i n i t e e l e me n t s wi t h mi n i ma l r e me s h i n g J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o r Nu me r i c a l Me t h o d s i n En g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ， 4 5 ( 5 ) ： 6 0 1 6 2 0 潘 坚文 ， 张楚汉 ， 徐艳杰 用 改进扩展有 限元法研 究重力坝强 震断裂过 程 J 水利学报 ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 2 ) ： 1 6 8-1 7 4 Hi l l e br o r g A Mo d e e r MPe t e r s s o n P E Ana l y s i s o f c r a c k f o r ma t i o n a nd c r a c k g r o wt h i n c o n c r e t e b y me a ns o f f r a c t u r e me c h a n i c s a n d f i n i t e e l e me n t s 【 J J Ce me n t a n d C o n c e r t e Re s e a r c h，1 9 7 6 ，6 ( 6 ) ： 7 7 3 - 7 8 2 周元德 混凝土非线性断裂模型与高拱坝开裂分析研究 D 北京 ： 清华大学 ， 2 0 0 4 L e e J ， F e n v e s G L A p l a s t i c - d a ma g e c o n c r e t e mo d e l f o r e a r t h q u a k e a n a l y s i s o f d a ms J J o u r n a l o f Ea r t h q u a k e En g i n e e r i n g An d S t r u c t u r a l Dy na mi c s ，1 99 8，2 7：9 37 -9 56 钟红 高拱坝地震损伤破坏的大型数值模拟 D 大连 ： 大连理工大学 ， 2 0 0 8 The ke y pr o bl e m s o f c r a c k pr o pa g a t i o n i n c on c r e t e d am unde r e a r t hqua ke l o a di ng GUO S h e n g s h a n 一，Z HANG Ai j i n g ，L I De y u ，ZHAI E n d i ( 1 C h i n a T h r e e G o r g e s C o r p o r a t i o n ，B e ij i n g 1 0 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ， B e ij i n g 1 0 0 0 4 8 ， C h i n a； 3 C o n s t r u c t i o n a n dA d mi n i s t r a t i o nB u r e a u ofS o u t h t o N o r t h Wa t e r D i v e r s i o nMi d d l e R o u t e P r o j e c t ， B e ij i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e r e a r e a c e r t a i n r a n g e o f c r a c k s o n t he da m s ur f a c e o r i ns i de t he da m b o dy d u r i n g t he c o n s t r u ct i o n o r o p e r a t i o n pe r i o d， s u c h a s Xi a o wa n， Er t a n， whi c h a r e hi g h c o n c r e t e da ms l o c a t e d i n we s t Ch i na wi t h s t r on g s e i s mi c i t y I n v i e w o f t he e x t r e m e i mpo r t a n c e o f s a f e t y o f h i g h c o n c r e t e d ams ， t h e c r a c k pr o p a g a t i o n pr o b l e m o f c o n c r e t e d a ms un d e r e a rth qu a ke l o a di n g i s o f g r e a t c o n c e r n i n a c a d e mi c a nd e ng i n e e r i ng ci r c l e s Th e ke y a nd ho t p r o bl e ms o f c r a c k p r o p a g a t i o n i n c o nc r e t e da m u nd e r e a r t hq ua k e l o a di ng， i n c l u di ng g r o un d mo t i o n i np u t ， s i mul a t i o n o f c r a c ks i n c o nc r e t e d a m ， a n d s i mu l a t i o n o f c o n c r e t e da ma g e a t t h e e n d o f t h e j o i n t ， we r e s u mma r i z e d r e s p e c t i v e l y F i n a l l y t h e r e s e a r c h d i r e c t i o n o f t h e n e x t s t a g e wa s p o i nt e d Ke y wor ds：c o nc r e t e da m； c r a c k pr o p a g a t i o n； e a r t h q ua k e l o a d i n g - - 47 6 - ( 责任 编辑 ：王 冰伟 )