混凝土坝中各种接触面的数值模拟方法研究及工程应用

摘要

混凝土坝工程横缝、纵缝，以及由于各种因素引起的混凝土裂缝是普遍存在的。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。对这些有缝结构进行计算分析时，接缝及裂缝状态的变化会使得接触界面的范围和界面上的应力和位移不断发生变化。如何根据已有观测数据，用数值方法模拟裂缝的产生、发展和状态变化，以及分析裂缝、浇筑层面、纵横缝等坝体内各种结合面的存在及开合变化对大坝运行性态的影响是全面把握大坝真实工作性态的重要依据。 本文的研究结合中国大唐公司项目“陈村拱坝安全度计算分析”进行，通过对接触面的开合迭代算法进行研究，实现了对接触面开合状态变化的模拟，并在该模型基础上考虑了键槽、灌浆、缝面水压、缝内充填物等的影响，使所建立的接触面模型能够模拟混凝土坝中各种接触面，可用于分析各种接触面状态变化对大坝受力和变形的影响，亦可在仿真分析中用来进行混凝土坝真实工作性态的研究。同时，利用所建立的考虑缝面水压的接触面模型对高重力坝坝踵水力劈裂展开了初步研究。 本文完成的主要工作包括以下几个方面： 1．模型及计算方法研究方面：①建立了能模拟接触面开合状态变化的零厚度接触面模型，并给出了模型中法向刚度系数和切向刚度系数的取值范围；②在接触面模型中考虑裂缝填充物的影响，模拟填充物引起的裂缝开度逐年递增；③推导了梯形、三角形、球面键槽等不同形式键槽模型的应力应变关系，在零厚度接触面单元中加入了键槽模型，提出了键槽面接触后不发生滑动的条件，并且对键槽面接触后发生相对滑动的数值模拟方法进行了初步探讨；④通过对精细键槽模型进行的大量计算，给出不同体形参数的梯形键槽的剪切刚度系数建议取值。 2．程序编制方面：①在程序中建立接触面单元模型；②建立了验证算例，验证本文接触面单元的正确性和收敛性，并分别对开合迭代模型、考虑裂缝填充物的接触面模型和带键槽的接触面模型进行了验证。 3．基于全过程仿真分析的陈村拱坝裂缝分析及安全度评估：将所建立的接触面单元用于模拟陈村拱坝坝段间横缝、一二期混凝土结合面，以及坝体主要裂缝，通过对陈村拱坝进行从施工期到运行期的全过程仿真分析，得出接缝、裂缝在气温、水压等作用下开合变化过程，由此可以研究横缝和坝体主要裂缝对大坝运行性态的影响，并在全面掌握大坝真实工作性态的情况下对整坝进行安全度评估。计算表明，裂缝的开合状态与时间和位置相关：裂缝表面冬季张开、夏季闭合，而内部夏季张开、冬季闭合，裂缝状态的变化使得105m高程以上坝块在低温季节（11月-2月）出现往上游变位的小高峰。通过计算可知，不考虑施工期影响，或不考虑裂缝开合影响时，计算所得安全系数偏大，基于全坝全过程仿真分析的混凝土坝安全度评估求得的安全系数比较符合真实情况。 4．与李新宇博士合作，对高重力坝坝踵水力劈裂进行了初步研究，完成的主要内容包括：①对水力劈裂试验进行数值模拟，所得临界劈裂水压与试验结果和断裂力学解对比，误差均在5％以内，说明用本文考虑缝面水压的接触面单元来模拟水力劈裂作用下的Ⅰ型裂缝是合理可行的；②对高碾压混凝土重力坝坝踵水力劈裂现象进行初步研究，结果表明，对于按照现有规范设计的200m级高碾压混凝土重力坝，如果坝踵区混凝土存在施工冷缝导致的薄弱层面，则在高压水作用下，可能发生水力劈裂，并可能危及到防渗帷幕；③对285m高的大狄克逊坝（Grand Dixence）和按无拉应力准则确定的、相同坝高的混凝土重力坝进行水力劈裂计算，结果表明，前者不发生水力劈裂，而后者在缝面水压达到2.37MPa时发生水力劈裂，说明上游坝面的最小容许应力应为压应力；④建议在200m级高混凝土重力坝、高碾压混凝土重力坝断面设计时，上游坝面的最小容许应力应为压应力。

目录

文摘

英文文摘

关于学位论文的独创性声明

第1章绪论

第2章混凝土接触面模型及开合模拟

第3章接触面模型的程序实现和测试

第4章基于全过程仿真分析的陈村拱坝裂缝分析及安全度评估

第5章高混凝土重力坝坝踵水力劈裂研究初探

第6章结论和展望

参考文献

攻读博士学位期间参与的主要研究工作及攻读博士学位期间发表的文章

致谢