拱坝周边缝设置及优化研究

【摘要】 本文以位于黄河上游干流上的某双曲拱坝为工程背景，探索了材料本构模型、设缝位置、设缝高程、设缝深度、设缝角度以及缝面摩擦系数对周边缝设置效果的影响。研究表明采用塑性材料本构模型后拱坝应力分布规律更加符合实际情况，通过不设缝方案、设边缝加底缝和仅设底缝方案对比分析得知设缝方案均能有效减小拱坝周边拉应力集中现象，但设缝部位不同对坝体稳定影响较大。设边缝加底缝方案完全切断坝体与周边的联系，降低了坝体的整体性容易出现缝面张开的现象。而仅设底缝方案即能减小坝踵拉应力集中现象，又不完全切断坝体，在一定程度上保证了坝体的整体性。设缝高程宜在距离坝底高40m，相对坝高所占百分比为16%的高程范围内选定，且设缝距坝底面越近效果越好。不论缝深如何变化，缝面未合的近区接触区以及滑动区范围主要分布在缝面靠上游面1/4截面处，缝面深度应尽量超过1/4截面宽度，设缝深度越深对踵处拉、压应力的改善效果越好。在满足坝体廊道布置要求及缝面稳定的前提下，缝面越向坝底上游面倾斜对坝踵拉应力改善效果越好。缝面摩擦系数越大缝面越稳定，缝面摩擦系数越大越好。 

第一章 绪论

1.1 选题背景及研究意义
拱坝因其投资省、工程量小以及较强的抗震性和较高的超载能力等优点在我国水利水电发展事业中占有重要的地位[1]。在相同坝高条件下拱坝的投资额往往为重力坝的 1/2—2/3 左右[2]。我国拱坝建设发展迅速，由表 1.1 和表 1.2 可以看出目前最高坝为中国的锦屏一级拱坝，拱坝在众多坝型中具有天然的高坝优势[3]。在世界前十大高拱坝统计表中，中国的高拱坝共计五个，这足以说明我国拱坝建设发展迅速[4]。坝高增高带来经济效益的同时也增大了拱坝安全方面的风险。随着拱坝高度不断增高，拱坝总体应力水平也随之提高，拱坝应力的安全储备减小，对应力的敏感性增强。一旦拱坝产生局部开裂导致应力重分布，这对于高拱坝而言就很可能造成应力普遍超载及裂缝扩展的现象，这将威胁大坝安全[5]。大坝开裂的几个主要部位位于[6,7]：
（1）坝踵裂缝，主要是因拱坝与周围岩体固结形成高次超静定结构导致坝踵拉应力过大以及坝体周边部位应力集中使混凝土出现裂缝[8]；
（2）拱坝上游面靠近拱座部位的裂缝，主要是由于大坝在外部气温升、降的情况下，坝体因温度应力产生的裂缝；
（3）上下游表面裂缝，主要是混凝土表面温度骤降，表面干裂出现微小裂缝，在压力水的侵蚀作用下，坝体中容易形成整体性贯穿裂缝或深缝。

1.2 拱坝周边缝结构设计研究现状
在拱坝设计中最早引入设周边缝概念的是意大利 1939 年建成的奥雪兰塔拱坝 (Osigeietm)，坝高 76.0m。这种结构形式的拱坝在国外比较常见，尤其是在高拱坝的结构设计中常常会用到。我国最早修建了一批带有试验性质的周边缝拱坝如浙江马头岭周边缘缝拱坝、贵州小沟周边缘缝拱坝、福建梅花周边缝拱坝等，为我国设周边缝拱坝的建造技术、实践经验作出了重要贡献。拱坝中周边缝是指设置于拱坝与河床及岸边混凝土垫座之间的接触缝，拱坝周边缝按分布位置划分主要包括两个部分，坝体两侧设置的缝称之为边缝，坝体底部设置的缝称之为底缝。周边缝的主要形式有圆弧形和直线形两种，其中圆弧形缝面抗滑能力强但抗转动能力弱，直线形缝面与圆弧形特点恰好相反，直线形缝抗滑能力弱，但抗转动能力强。部分学者认为拱坝设周边缝后，坝体应力在一定范围内得到改善，因缝面不抗拉，拉应力在缝面处消散，改善了坝踵处拉应力集中的现象[13]。坝体与大垫座之间接触面不抗拉，但能很好的传递压力，并通过大垫座向基岩扩散。由于周边缝切断了坝体周边与基岩的固结联系，是坝体周边缝约束处于理想固结和理想铰约束之间的一种状态，使得坝体具有一定的转动自由度，从而有效避免了基础过大的转动和岩石的开裂，改善了基础边界条件，使得坝体与大垫座之间接触面不抗拉，但能很好的传递压力，并通过大垫座向基岩扩散。当基础岩石形状不规则或弹性模量不均匀有突变容易产生不均匀沉降时引起应力集中而导致大垫座曲梁拉裂。周边缝可有效地把裂缝限制在大垫座混凝土范围内，不影响坝体本身，渗水也能够方便地从周边缝处的廊道排走。故建议当基岩弹性模量 E 小于混凝土弹性模量的 1／2 时可设置设周边缝，改善坝体底部的应力状况[14]。
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第二章 设周边缝拱坝有限元分析的基本理论

2.1 有限元法分析问题的基本原理和步骤
有限元法（FEM）[43]就是把一个要求解的连续体用有限个相同或不同形状的单元体表达出来，也就是通过划分网格的方式将要求解的区域离散化[44]。经过离散后的离散体与真实结构之间也存在一些区别：真实的结构是完全的连续体，而离散体中是通过单元间的变形满足变形协调条件将单元与单元之间的结点相互关联。有限元法近年来被广泛应用于工程界以及各个领域，分析问题的步骤基本一致，大体可以分为以下五个步骤：结构的离散化也就是我们在建模过程中划分网格，就是把所建立的模型按照一定原则选用合适的单元用有限个具有规则形状单元体离散开来。根据模型所具有的规模、性质和精度的情况来选取合适的单元。划分后的单元按照一定的顺序将结点和单元编号，根据静力等效原理将每个单元上的荷载移植到结点上，通过实际施加在结点上的位移边界条件来设置约束条件。常见的单元有杆单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元、六面体单元等。
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2.2 非线性有限元法的基本理论
常规的线性有限元理论是建立在固体力学的基础上，运用本构方程、平衡方程以及几何运动方程组合而成的，但此方法一般只适用处于弹性阶段的材料[45]。我们知道当应力达到或超过材料本身的强度以后，应力和应变不会再呈线性关系，所以在线性有限元法的不断发展下出现了解决此类问题的办法——非线性有限元法。非线性有限元法主要针对各类非线性问题为对象，分析结构中单元的应力和应变的分布规律，基本理论的形成主要依赖于固体力学、塑性力学等多种学科。非线性问题的分析步骤主要有：a.确立非线性本构模型；b.建立非线性本构方程；c.通过假定材料的属性和边界条件进行求解。在了解非线性问题时，根据其产生原因的不同大体可以分为三种：①结构内部发生了大的位移和变形从而引起了非线性，被称作几何非线性；②由于材料自身的特性所引发的非线性问题，被称作材料非线性；③由所分析问题边界条件的不可逆、可变性而引起的非线性问题，叫接触非线性。几何非线性问题是由于结构内部的大变形所引起的，此时结构的响应情况将受到位移大小的影响，其原因大体为以下几种：a.大转动或大挠度；b.突然发生翻转；c.初始应力或荷载刚性化，这时位移和应变关系所反映出来的几何方程是非线性方程。在分析几何非线性问题时，一般来说认为结构在受到荷载时还处于弹性阶段，应力和应变之间为线性关系。假如结构的应力和应变也呈非线性关系，那问题就会复杂化为双重非线性问题。在实际工程中，壳、板、实体中都存在几何非线性问题，如：压杆、板、壳结构达到屈服阶段后的稳定性问题；弹性薄壳结构的大挠度分析等。
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第三章 拱坝有限元模型的建立及初步分析...... 17
3.1 分析思路和方法 ......17
3.2 工程概况及基本资料.........17
3.3 模型分析方案及工况选择......23
3.4 本章小结........30
第四章 拱坝周边缝优化分析......... 31
4.1 分析思路........31
4.2 设缝面距坝底高程影响分析.......31
4.3 设缝深度影响分析........38
4.4 设缝角度影响分析........44
4.5 缝面摩擦系数影响分析.....51
4.6 本章小结 ........54
第五章 结论与展望..... 55
5.1 结论......55
5.2 展望......55

第四章 拱坝周边缝优化分析

4.1 分析思路
根据第三章中对拱坝不设缝方案、设边缝加底缝方案、设底缝方案三种情况的对比分析，得知设边缝加底缝和仅设底缝都能对坝踵拉应力过大现象起到改善作用，但是设周边缝完全切断坝体，使坝体整体性大大减弱，在外部荷载较大的情况下容易使得缝面张开过大，这一现象对坝体防渗及坝体自身稳定影响很大，这一问题也是学界对设周边缝拱坝的争议所在。设底缝方案，既能改善坝踵拉应力过大现象，也不完全切断坝体，保证了坝体的整体性。在第三章拱坝设缝初步分析中，设底缝方案改善踵拉应力效果明显，且无明显上抬现象，只在缝面出现张开和滑移，且数值不大。故后续分析针对设局部周边缝即底部缝方案进行优化分析。影响设缝对坝体应力改善效果的几个主要因素有：缝面高程、设缝深度、缝面角度、缝面摩擦系数等。本章将针对每一个影响因素进行分析，从而分析出各因素对设缝效果影响的基本规律，并根据上述分析结果为拱坝周边缝优化设置提供一些建议。
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结论

本文以某拱坝为工程背景，采用大型有限元分析软 ANSYS 建立了多种有限元分析模型，设立了五组对比方案。通过对各组方案分析总结结论如下
① 研究表明采用塑性材料本构模型后拱坝应力分布规律更加符合实际情况，模型材料本构模型应尽可能采用塑性本构模型进行建模。
② 通过不设缝方案、设边缝加底缝和仅设底缝方案对比分析得知设缝方案均能有效减小拱坝周边拉应力集中现象，但设缝部位不同对坝体稳定影响较大。设边缝加底缝方案完全切断坝体与周边的联系，降低了坝体的整体性容易出现缝面张开的现象。而仅设底缝方案即能减小坝踵拉应力集中现象，又不完全切断坝体，在一定程度上保证了坝体的整体性。
③ 设缝高程宜在距离坝底高 40m，相对坝高所占百分比为 16%的高程范围内选定，且在满足缝面稳定（即不破坏坝体防渗措施及坝体稳定性）的前提下设缝距坝底面越近效果越好。
④ 不论缝深如何变化，，缝面未合的近区接触区以及滑动区范围主要分布在缝面靠上游面 1/4 截面处，缝面深度应尽量超过 1/4 截面宽度，设缝深度越深对踵处拉、压应力的改善效果越好。
⑤ 在满足坝体廊道布置要求及缝面稳定的前提下，缝面越向坝底上游面倾斜对坝踵拉应力改善效果越好。
⑥ 缝面摩擦系数越大缝面越稳定，缝面摩擦系数越大对坝体抗剪能力的减弱效果越小，缝面摩擦系数越大越好。
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参考文献（略）