壩體裂縫對(duì)拱壩承載力的影響

嚴(yán)成斌，向賢鏡

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550081）

壩體裂縫對(duì)拱壩承載力的影響

嚴(yán)成斌，向賢鏡

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550081）

文章以下澗口水庫拱壩的相關(guān)數(shù)據(jù)，選取單位高度拱圈作為研究對(duì)象，采用有限元法，應(yīng)用ANSYS通用計(jì)算軟件進(jìn)行模擬計(jì)算分析。從拱圈開裂后出現(xiàn)的裂縫條數(shù)的變化，拱圈中心角的改變、跨度不同等，多方面分析裂縫對(duì)拱圈承載能力的影響。得出裂縫對(duì)拱圈的承載能力有所降低，單邊開裂對(duì)拱圈承載能力降低最為明顯，但裂縫數(shù)量的增加對(duì)拱圈的承載能力影響較小，拱壩開裂基本不影響其繼續(xù)使用。

拱壩裂縫；承載能力；接觸單元

1 概述

在我國(guó)六七十年代，興建了一大批拱壩，拱壩在地方水利建設(shè)中發(fā)揮了顯著作用。但由于當(dāng)時(shí)科技水平的限制，很多拱壩在設(shè)計(jì)、施工以及地質(zhì)勘測(cè)上都存在缺陷，導(dǎo)致了一系列病害問題的出現(xiàn)，而其中比較普遍的一種就是拱壩產(chǎn)生豎向裂縫，但很多拱壩開裂后能繼續(xù)使用。大家普遍認(rèn)為拱壩的開裂會(huì)降低其承載能力，但降低的幅度未見明確解答。擬結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行分析，對(duì)壩體裂縫降低拱壩承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 計(jì)算模型

有限元計(jì)算分析軟件ANSYS自帶有接觸單元，應(yīng)用其中的面－面接觸單元模擬塊體與塊體之間的結(jié)合面。計(jì)算模型選取下澗口水庫高程704.46 m到705.46 m，高度為1 m，厚度為4 m，中心角為110°的單位厚度拱圈為例，假設(shè)拱圈的上下游都是垂直的，即拱圈是等厚的，在上游面受到均布荷載的作用。此次計(jì)算采用單位高度的拱圈，將整個(gè)拱壩作了很大簡(jiǎn)化，僅考慮拱向的作用，而忽略梁向，因此在計(jì)算分析中主要考慮上游水荷載，荷載的大小為高程704.96 m處正常水位時(shí)水荷載的值，計(jì)算模型如圖1。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

1）拱圈的承載能力確定。應(yīng)用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模及計(jì)算分析。通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的極限承載能力能夠用簡(jiǎn)單且直觀的判斷方法塑性區(qū)貫通法直接判斷得出，也可通過位移突變法確定。用這兩種方法都能比較方便而又有效地判定拱圈的破壞狀態(tài)?，F(xiàn)采用位移突變法來判斷拱圈極限狀態(tài)，表1列出了某拱圈最大徑向位移與超載系數(shù)關(guān)系。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制，超載系數(shù)與最大徑向位移關(guān)系曲線如圖2所示。圖中右側(cè)的圖例分別為：0代表原拱沒有開裂，1，2，3，9分別代表拱圈裂縫的條數(shù)。

在圖2中，在無裂縫至多條裂縫下拱圈的超載系數(shù)與最大徑向位移關(guān)系曲線，都有一個(gè)曲率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。也即位移由線性增加到偏離線性而急劇增長(zhǎng)的一個(gè)臨界點(diǎn)。位移突變法的觀點(diǎn)認(rèn)為，拱壩極限狀態(tài)與拱壩由位移緩慢增長(zhǎng)到急劇增大的臨界點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。詳細(xì)研究拱圈在各受力階段的位移和破壞情況后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力超載系數(shù)小于臨界值時(shí)，拱圈上只產(chǎn)生有限的破壞；而當(dāng)超載系數(shù)超過臨界值時(shí)，拱圈上出現(xiàn)很大的塑性區(qū)，拱圈實(shí)際上己?jiǎn)适Я死^續(xù)承載的能力。因此，用該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的超載系數(shù)來衡量拱圈的超載能力是可行的。

表1 最大徑向位移與超載系數(shù)關(guān)系表 cm

轉(zhuǎn)折點(diǎn)的確定可以通過下述方法實(shí)現(xiàn)。由于該點(diǎn)是拱圈的徑向位移由緩慢按比例增長(zhǎng)到急劇增大的一個(gè)臨界點(diǎn)，所以可以將緩慢增長(zhǎng)的階段用一條直線擬合，急劇增長(zhǎng)的階段用另一條直線擬合，而兩條直線的交點(diǎn)A，即可認(rèn)為是此臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的超載系數(shù)K為相應(yīng)的拱圈的極限承載能力超載系數(shù)，如圖3所示。

2）單個(gè)拱圈影響分析。根據(jù)以上方法單個(gè)拱圈在各種情況下的超載系數(shù)分別為：原拱不開裂時(shí)約為 3.8～3.9，單邊開裂時(shí) 3.6～3.7，對(duì)稱開裂時(shí)3.5～3.6，3 條裂縫時(shí) 3.5～3.6，9 條裂縫時(shí) 3.5～3.6。裂縫條數(shù)對(duì)拱圈的承載能力與原拱比較降低百分?jǐn)?shù)，見表2。

表2 單個(gè)拱圈裂縫數(shù)承載力降低百分?jǐn)?shù) %

拱圈開裂對(duì)其承載能力有所降低，單邊開裂對(duì)拱圈的承載能力與原拱比較，降低了5.19%，2條裂縫至9條裂縫降低了7.79%，拱圈開裂后，破壞了其整體性，其承載能力有所降低，但隨著裂縫數(shù)量的增加，拱圈逐漸形成了分塊結(jié)構(gòu)，塊與塊之間能傳遞應(yīng)力，其承載能力就不再降低。

3）中心角不同的影響分析。為了對(duì)不同拱形的壩體裂縫作一個(gè)系統(tǒng)的分析研究，現(xiàn)以下澗口水庫砌石拱壩高程704.46 m的拱圈作為參考，固定拱的跨度、拱圈的厚度以及荷載情況不變，改變拱的中心角。在厚度相同，跨度相同，中心角不同的情況下對(duì)拱圈進(jìn)行分析。中心角選取的范圍為80°～120°。選取跨度60 m，并參照其它工程再選取跨度100 m和150 m的拱圈作為研究對(duì)象，作同樣的分析研究。表3為單邊開裂，跨度相同中心角不同時(shí)，拱圈承載力降低百分?jǐn)?shù)。

表3 跨度相同中心角不同承載力降低百分?jǐn)?shù) %

隨著拱圈中心角的增大，拱圈的承載能力也增大，但開裂拱圈承載力降低的百分?jǐn)?shù)在減少。由此，在相同的跨度時(shí)，不同中心角的拱圈開裂，對(duì)應(yīng)的承載能力隨中心角的增大降低的幅度越小。

4）跨度不同的影響研究。對(duì)上面跨度不同的3個(gè)拱圈進(jìn)行進(jìn)一步分析，單邊開裂，比較跨度不同、中心角相同的情況下，拱圈開裂對(duì)其承載力的影響。結(jié)果見表4。

從表4可以看出，中心角相同時(shí)，隨著跨度的增加，拱圈裂縫對(duì)其承載能力的降低的百分?jǐn)?shù)有增大的趨勢(shì)。相同中心角不同跨度的拱圈，裂縫對(duì)跨度大的拱圈影響較大。

表4 相同中心角不同跨度承載力降低百分?jǐn)?shù) %

4 結(jié)語

結(jié)合實(shí)際工程選取若干拱圈作為研究對(duì)象，分別在壩體裂縫數(shù)量不同、拱圈中心角的改變以及跨度不同等情況下，計(jì)算分析了裂縫對(duì)拱圈極限承載力的影響。

1）拱圈開裂對(duì)其承載能力有所降低，單邊開裂對(duì)拱圈承載能力降低最為明顯，拱圈開裂后，隨著裂縫數(shù)量的增加，拱圈承載能力降低的趨勢(shì)不明顯。

2）跨度相同的拱圈，隨著中心角的增大，拱圈的承載能力也增大，但開裂拱圈承載能力降低的倍數(shù)越小。即拱圈的承載能力降低的倍數(shù)隨著中心角的增大而減小。

3）中心角相同，隨著跨度的增大，拱圈裂縫對(duì)其承載能力的降低有增大的趨勢(shì)。

綜合以上幾點(diǎn)，裂縫對(duì)拱圈的承載能力有所降低，但裂縫數(shù)量的增加對(duì)拱圈的承載能力影響較小。

［1］郝文化.ANSYS實(shí)例分析與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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［4］林鵬.高拱壩超載的計(jì)算機(jī)仿真［J］.水利水電技術(shù)，2000，31(8)：4-7.

Influence of dam crack on carrying capacity of arch dam

YAN Cheng-bin,XIANG Xian-jing

Taking unit-height arch ring as an example,the paper simulates and analyzes influence of crack on carrying capacity of arch ring from the change of crack number,change of central angle of arch ring,different span,etc,by using the ANSYS software and the finite element method based on relative data of Xiajiankou reservoir arch dam.The result is that the crack decreases the arch ring carrying capacity,especially the side-crack is most obviously,but the influence of increase of crack number on the carrying capacity is small and crack will not affect the normal usage basically.

arch dam crack;carrying capacity;dam contact element

TV642.4

B

1002－0624（2011）06－0007－02

2011-03-07