（水工结构工程专业论文）混凝土重力坝动力响应分析及抗震措施研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国水利水电事业的发展和筑坝技术的迅速提高，在水力资源丰富的西部地区 正在设计修建高碾压混凝土重力坝，而这些地区正是高烈度地震频发地区，有的设防地 震烈度甚至达到了度。在这种高烈度地震作用下，碾压混凝土重力坝的抗震安全直 接关系到下游广大地区工农业生产和人民生命财产的安全，具有特别重大的现实意义。 因此，本文采用有限元动力分析方法，对龙开口碾压混凝土重力坝的动力特性及其抗震 安全性进行了研究和探讨，最后确定了大坝的抗震薄弱部位，并提出合理的工程抗震措 施，为大坝的设计提供保证。 主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 已有研究表明，对混凝土坝抗震采用线弹性分析得到的最大拉应力远大于混凝 土的抗拉强度，在强震作用下，坝体将不可避免地产生开裂。主要研究了龙开口非溢流 坝段采用混凝土损伤塑性模型在自重、静水压力以及地震荷载作用下的动力特性、拉伸 损伤分布、塑性应变分布、等效塑性应变分布、破坏路径、动力放大倍数以及耗散能。 并在此基础上探讨了典型地震波、阻尼比及设计水平加速度对坝体安全可靠度的敏感性 影响。 ( 2 ) 由于重力坝在坝踵处拉应力很大，常超出了混凝土的抗拉强度极限，因而在坝 踵位置很容易产生裂缝，进而影响坝体的稳定。根据小湾拱坝计算所得的“坝基裂隙的 存在对坝踵应力集中起到松弛释放的作用”这一结论，以改善坝踵处应力分布状态为目 的，设想在坝体上游基岩上设置一条垂直诱导缝，在此基础上研究地震作用下诱导缝的 设置对于坝体应力的影响以及通过优化分析求出其最优解。 ( 3 ) 在详细分析坝体开裂现象的基础上，研究了重力坝的动态开裂机理、钢筋混凝 的断裂能以及预应力锚索的数值模拟。针对此现象提出了工程抗震措施，主要包括坝 体配筋和预应力锚固两种措旌，并给出加固前后的拉应力损伤因子对比分析，以验证加 固措施的有效性。 关键词：坝踵；诱导缝；优化；损伤塑性模型；拉应力损伤因子；断裂能；抗震措施 混凝土重力坝动力响应分析及抗震措施研究 s t u d y o ns e i s m i ca m a l y s i sa n da s e i s m i cm e a s u r e so fc o n c r e t e q a v 时d 锄 a b s t r a c t n o w 啊mt h er a p i dd e v e l o p m 髓to fw a t e rc o n s e r v a t i o na n dr o c l a i nt e c l l n o l o g y ，s o m e h i g hr c c 舯v i 够d a m s 、i l lb ec o n s t r i l c t e di i lw e s t e m 陀百0 诵t l lp i e n 劬1w a t e rr e s o u r c e s a n d 丘钮u e n te 删h q u a k e t h ea d o p t e dd 郫i 驴l c v e lo fe a n h q u a k eg r o 衄dm o t i o n 他a c h e dt 0 n i n ed e g r e e s 讪t l l e r e 百o m ni sv e r ys i g n i f i c a mt h a t 硒e i s m i cs 缸毫t yf o r 劬l l s t r i a l 吼d a 鲥c u l t u i a lp r o d u c t i o na n dt h es 疵谚o ft h ep e o p l e 。sl i f ca i l d 硼嗍i nt b el 雒g er e 百o no f d ( m f i l g 虹e 呦u n d c rl l i 曲抽t e n s i t ) rs e i s m i ca c t i o n t h e 咒f o r e ，i no r d 髓t 0 咖d yd e e p l y 也e d y n 吼i c a ic 1 1 黝c t e r i s t i c sa n da s e i s m i cs 哦t yo fl 0 n gk a ik 0 ur c cg r a 啊毋d 锄j l lh i 曲 e a r t h q l l a k ei t e l l s 姆，d y a 士n i c a la i l a l y s i so f 也ef l i d t ee l e m e mm e 也o di su s e d f i n a l l y ，w e a l ( z o n e so ft h ed a ma r cd e t 啪血e d 锄d 也er e 船o n a b l e 踮e i s 枷cm e 髂l l r e sa r ea l s op r o p o d t h u si te n s u r e st h er e i i a b i ed e s i 弘o f d a m 1 km a i nw o r 虹o f t h i sp a p e ra r e 嬲南o w s ： ( i ) t h ek n o w ns t l l d i e si i l d i c a _ c em a tp e a kt e n s i l es 聃s so c c u r r e da tt l l eu p p e rp o n i o no f c o n c r e t e 黟a v i 哆d a i ni sm u c hl l i g h e rt h a nt l 伦由m a i n 主ct e n s i l es t i 髓g t l lo fc o n c r e t e 埘g s n o n ge a n h q 眦l k ew h i c hr e s i l l t e di i lt h ei n e v i t a _ b l yh a p p e n j n go fc r a c k i i l g t h ep a p e rm a i n l y s t l l d i e st h ed y n 趾m cc h 删e r i s 廿c s ，d 锄a g ed i g 硒b 面o n ，p l a s t i cd i 晒b u t i o n ，e q u h a l e m p i a s t i cd i s t f i b u t i o n ，d a m a g ec o u r s e ，a c c e l e r a 矗o n 锄1 p i i f i c a t i o na n dd i s s i p a t e de n e r g yo fl k k n o n n o wd a m 吼d e rd e a dw e i g h t 、h y d r o s 枷cp r e s s u r e 缸l ds e i s m i cl o a d o nm i sb 嬲e ，m e i 1 1 n l l c 粗c eo ft ) ，p i c a ls e i s m i cw a v e s 、s t 兀j c t u r a l d 锄p i i l g 枷oa n dd e s i g n h o r i z o n t a l c e l 骶a t i 衄o n 血es a f c l 嗲r e l i a b i l i 锣o fd 锄w e r es m d i e d ( 2 ) d u e t o t h e 钯】1 s i l es t r e s s e s 缸d a m h e e la r e t o o 王l i g 也m e v a l u eo 墩殂e x c e e d sc o n c r e t e s 仃e n g mo f 栅i o ，s oc r a c k sc o m ei n t ob e i n gi nd a n lh e de 踮i l y ，w h i c ht h e ne 蠕暑c t s s t a b i l 时o fd 锄b o d y a c c o 蹦gt o 协ec o n c l l l s i o no f “t 1 1 ed 锄f o u n d a t i o n 血咖p l a y e d m a mr 0 1 e 纽吐l er e l a x a l i o no f s 妊s sc o n c e n t r a t e 证吐i ed a mh e e l ”，w 撼c hc 8 l 叫a t e db y ) ( i a o w a na r c hd a m i no r d e rt oi l l l p r o v et h es t r e s sd i s t r i b u t i o n 血也ed a mh e e lz o n e ，m ea 劬o r 觞s u m e sa ni n d u c e dj o 缸o nt h eb e d c ko fd 锄b o d yu p s 缸e 姗o nt 1 1 i sb a s i s 证d l l c e dj o i n t a 咖g e m e mu n d e re a r t l l q u a k ea c t i o na n d l ee f r e c to fd a ms 缸e s sh a v eb e e nd i s c u s s e d m o r e v e r ，t h eo p 痂n a ls o l u t i o 璐a r ea c h 主e v e dt h r o u g ho p t i m i z a t i o nd e s i g ( 3 ) b a s e do 吐l ed “】e da n a l y s i so fd a i nc r a c 虹n gp h e i l o m e n a ，t h ec m c 硅n gm e c h a n i s 驰 r e i i l 】f o r c e dc o n c r d t e 丘a c n 】r ee n e r g 呵a n dp r e s 订e s s e da n c h o rc a b l en l l m e r i c a ls i i n i l l a 廿o na r e 一一 大连理工大学硕士学位论文 s t i l d i e d p o i n t i i l gt ot h i sc o n d m o na s c i s n l i cm e a s l l r e sa r ep u t 内，a r d nm 斑l yi 1 1 c l u d e s i n f o r c e m e m 肌dp r e s t r e s s c d 柚c h o r ，a l s op r o v i d e sm er i c s u ho ft e n s i o nd 锄a g e 也c t o f c o m p a r a t i v e 锄_ a l y s i s ，a n dd c m o n s 诅t e st h ee f ! 丘c i 衄c yo f 廿1 er e i n f b r c e m e mm e 邮u r c s k e yw o r d s ：d 锄h l ；i n d u c e dj o i i i t ；o p t i m a ld e s i 印； d 锄a g e ：f r a c t u f ee n e r g ) ，；a s e i s r n j cm 麟e 一一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：堡堂圭：日期：型：! ! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理王大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阕。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 作者签名：赴勇塞 导师签名：率知角禽立厂一 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究背景及意义 当今世界国际原油价格持续高涨，作为可再生能源之一的水利发电，为解决我国可 持续发展的能源瓶颈问题正发挥越来越重要的作用。我国水力资源丰富，技术可开发的 水电资源达5 4 2 亿k w ，年发电量2 4 7 4 0 亿l ：w h ，居世界首位。受地形和气候条件的 控制，水力资源蕴藏量的7 0 都集中在西南和西北地区，而这些地区正是高烈度地震频 发地区，并且地质条件复杂。对于地处环太平洋地震带和喜马拉雅龅中海地震带的我 国，地震频繁，是一个多地震国家。自2 0 世纪初以来，共发生了3 0 0 0 次以上震级大于 5 级的破坏性地震，其中全世界发生的7 级以上强震中，中国占3 5 ，有3 次震级为8 5 级以上的巨大地震发生在我国。同时，大多为浅源地震，震缴和频次都高，因此地震的 破坏力极大。强烈的地震会给修建在河道上的水工建筑物造成严重损坏。特别是对于高 坝大库，一旦遭受严重震害，将导致下游地区的严重次生灾害，后果将是不可想象的。 据统计，近年来全世界每年的垮坝率虽比过去有所降低，但仍在o 2 左右。因此，在 复杂地基条件下重力坝的动力特性和抗震稳定安全性，以及采用何种措施增强其抗震能 力并用于指导抗震设计，这些都是极其重要并具有重大现实意义的研究课题。 进入新的千年，我国水电建设迎来了新的高潮。特别是西部大开发战略的实施，开 发西部水电宝藏，促进全国联网，是实现资源优化配置的重要内容之一。近期即将开工 建设龙滩、小湾、工伯峡、三板溪、洪家渡等一批大型水电站，接着将全面开发金沙江、 雅砻江、大渡河、澜沧江、乌江、红水河和黄河上游的水电资源，形成南中北三条“西 电东送”大通道，这将是世界上最宏伟的水电基地和输电通道，由此可见国家是很重视 水电事业的发展的。按照国家对能源和水利事业的发展瓶划，一大批坝高在1 3 0 0 m 左右的世界级高混凝土坝即将在我国西南地区开工建设，其中拱坝如长江上游的溪洛渡 ( 2 7 8 m ) 、澜沧江上的小湾( 2 9 2 m ) 、雅碧江上的锦屏一级( 3 0 5 m ) 、黄河上游的拉西瓦( 2 5 0 m ) 、 乌江上的构皮潍( 2 4 0 m ) ，大渡河上的大岗山( 2 1 0 m ) 等；重力坝如红河的龙滩( 1 9 6 5 m ) 、 雅碧江的官地( 1 6 8 m ) 、金沙江的金安桥( 1 6 0 m ) 和龙开口( 1 6 7 m ) 以及额尔齐斯河的喀拉塑 克( 1 2 1 5 m ) 等。这些工程中不少大坝的高度或规模达到世界上的最高水平，并且这些坝 大多建于商烈度地震区，坝址地质条件复杂，设计地震加速度高，例如大岗山拱坝设计 地震加速度达到0 5 5 7 5 9 ，金安桥重力坝设计地震动峰值加速度为o 3 9 9 5 9 。在如此高烈 度地震区进行高坝和超高大坝的建设，大坝的抗震安全成为设计中需要解决的关键技术 问题之一【6 】。 混凝土重力坝动力喻应分析及抗震措施研究 上面己指出，在我国水力资源十分丰富的西南、珏北等强震活动地区，正在或即将 建设一批世界级的高坝，其设计地震加速度峰值远远超过现有大坝设计地震加速度的水 平，最大可达到两倍或以上，地震作用达到千万吨级的水平，坝体最大静、动拉应力可 能达到或超过混凝土的承载能力，极可能引起局部破坏进而可能影响到大坝安全，依靠 传统经验与技术无法满足这些大型工程的实际要求。但迄今为止，世界上著名的混凝土 高坝强震破坏实例只有我国的新丰江大头坝、伊朗的s e f i d r u d 大头坝、印度的k o y n a 重力坝和美国的p a c o i i n a 拱坝，直接因地震作用而溃坝的实例更是没有。据相关文献j 统计，在9 个国家中至少有1 7 座混凝土坝经受过o 1 9 的地震动，见附录a 。因此，人 们对强烈地震作用下混凝土高坝的非线性动力反应、破坏过程、破坏机理和可能的破坏 形式还知之甚少。在缺乏实际混凝土高坝地震破坏监测资料的前提下，数值分析与结构 动力模型试验成为了解混凝土高坝非线性动力响应与地震破坏形态的重要手段。 1 2 重力坝坝体应力分析 大坝安全主要包括稳定分析和强度分析这两个重要问题。稳定分析也可以说是抗剪 强度分析，强度分析主要就是应力、变形和位移的研究。一般情况下，坝体应力不超过 材料的强度，变形和位移不超过大坝正常工作状态的允许值，就认为大坝处于正常运行 状态。因此，应力分析是判断大坝是否安全的前提。 材料力学法是应用最广、最简单、也是重力坝设计规范中规定采用的计算方法，己 在长期的工程实践中积累了丰富的经验。材料力学法假定坝体混凝土为均质、连续、各 向同性的弹性材料；视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影 响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力：假定水平截面上的正应力按直线分布，不考 虑廊道等对坝体应力的影响。多年的工程实践证明，对于中等高度的坝，应用这一方法， 并按照指定的指标进行设计，是可以保证工程安全的。对于较高的坝，特别是地基条件 比较复杂的情况下，还应该同时采用其他方法进行应力分析。 2 0 世纪5 0 年代作为处理固体力学问题对出现了有限单元法，它是由r w 克拉夫教 授在1 9 6 0 年首先引用，第一个成功的尝试是对于飞机结构的分析。我国水利水电系统 推广应用有限单元法计算混凝土重力坝坝体应力始于6 0 年代末7 0 年代初。使用有限单 元法对重力坝进行分析求解的基本思想是：将具有连续介质的重力坝包括一定范围的地 基，离散成有限个单元，将每个单元在节点处相互连接，然后研究每个单位内的应力一 变形特性，计算它的单元刚度矩阵，然后组合成整体刚度矩阵。根据每个节点上的平衡 条件建立一组联立方程组，求解此方程组得到节点位移，进而得到单元的应力。它不仅 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 能解决弹性问题，还能解决弹塑性问题；不仅能解决静力问题，也能解决动力问题；不 仅能计算单一结构，还能计算复杂的组合结构，已经成为一种综合能力很强的计算方法。 但是，有限单元法计算结果的准确性有赖于计算模型于实际结构的近似程度、网格剖分 以及所采用的计算参数能否反映实际情况等其他因素的影响。到目前为止，世界各国还 未能制定出与之配套的应力控制标准。 近年来，非线性有限元法发展很快，在水利工程中得到了应用。实际工程中，坝体 材料或坝基岩体( 特别是带有软弱夹层、破碎带及节理的基岩) ，其本构关系只是在一 定范围内呈线弹性关系，当应力达到一定值后，出现塑性变形以致于材料破坏。2 0 世纪 7 0 年代末期，损伤力学便应用于混凝土材料特性的模拟，通过对刚度和强度的降低反映 损伤对结构宏观性能的影响。经过近三十年的研究，损伤力学用于混凝土坝非线性分析 已经具备了充分的理论基础，损伤力学已经成为反映混凝土材料非线性的一种重要手 段。 1 3 重力坝抗震与地震破坏研究 1 3 1 重力坝抗震研究方法 混凝土坝抗震措施研究是我国西部强震地区高坝设计的关键技术课题之一。印度 k o y n a 坝i z q l 9 6 7 年强震开裂后，在坝段1 5 4 1 7 4 和2 矿 2 6 8 进行了垂直预应力锚索加固， 锚索钻孔直径为9 0 m m 和1 1 5 i n m ，锚索采用高强钢丝，极限拉力强度不小于1 5 0 连m i n 2 。 新丰江坝1 9 6 2 年地震后，对右岸1 3 1 8 4 坝段1 0 8 m 高程附近一条长达8 2 m 上下贯穿的 水平裂缝及左岸2 、5 、l o 坝段大致相同高程上的不连续水平裂缝上进行了插筋加固i 4 j ， 并加大坝体剖面，坝项增设撑墙。在混凝土拱坝抗震措施方面，前苏联英古里拱坝采用 横缝插筋和坝面钢筋网，智利r a p e l 拱坝则采用了水平连续式钢筋加固带。在数值模型 方面，张楚汉等【4 l 】提出了拱坝横缝配筋模型，进行了横缝配筋坝体变形以及配筋机理研 究，并在宏观上论证了横缝配筋控制措施的可靠性和可行性。郭永刚等【7 j 1 研究了横缝配 阻尼器对横缝张开度、坝体加速度及应力与位移的影响，分析了在不同种类钢筋及布置 方案下的横缝张开变化情况。横缝配筋和阻尼器对横缝张开度限制能够起到一定的作 用，但是对坝体应力的改善都很小。模拟混凝土重力坝震后开裂的数值模型较多，线弹 性模型有：m 0 h a m e d 等采用分离裂缝模型模拟大坝开裂演化过程，给出了坝体上下游 面裂缝处的强度因子时程；p e k a u 等采用边界元与线弹性断裂力学藕合方法分析大坝库 水系统在动力荷载作用下坝体裂缝的扩展。在非线性方面，e 1 - a i d i b 等采用弥散裂缝技 术研究了大坝拉张裂缝演化及其张开闭合的非线性动力过程。利用特殊数值处理方法克 服了裂缝区宽度增加问题；b h a t t a c h 旬等脚慵共轴旋转裂缝模型模拟混凝土非线性断 混凝土重力坝动力响应分析及抗震措施研究 裂行为，考虑了断裂能守恒及微观裂纹演化断裂带旋转；g b 等用损伤力学的概念， 并克服断裂能消散与剖分单元大小相关的网格技术，计算了混凝土坝动力反应；w a n g 等根据固定裂缝模型理论，通过不断重新剖分网格模拟了坝的非线性开裂；邱战洪等例 将损伤、渗流及空隙率祸合的有效应力概念引入m o h r c o u j o m b 破坏准则，建立了岩石 类材料脆性和黏弹塑性动力损伤模型。随着损伤断裂力学的发展，混凝土坝非线性开裂 与抗震加固研究己取得长足的进展。 预应力锚固技术产生于2 0 世纪初，最早用于矿山开采，3 0 年代阿尔及利亚的阿尔 舍坝首次采用预应力锚索加固大坝取得成功。1 9 “年我国安徽梅山水库大坝基础应用预 应力锚索加固获得成功之后，锚固技术在我国迅速发展，己广泛应用于大坝加固、边坡 及滑坡支挡、大型地下洞室支护及深基坑支护等诸多领域。运用预应力锚索加固大坝， 可在不中断大坝运行的条件下进行，因此经济效益十分显著。主要可解决如下问题j ： 大坝基础中存在软弱结构面或软弱、破碎岩体，坝基抗滑稳定不够；由于运行或其 它原因，建筑物出现裂缝或局部损坏，需要采用加固补强措施；为满足防洪、取水或 增加发电的需要，对已建大坝进行改造和加高。 据有关资料统计 6 7 】，在我国己建成的8 万余座各类大坝中，有相当一部分属于病险 坝，或者不同程度地存在这样或那样的缺陷。影响大坝安全的主要问题大致可分为这几 类，其中裂缝、抗滑稳定、抗震、防洪标准和渗漏等问题，都涉及到坝体的加固和补强。 在诸多加固方案中，预应力锚固( 以下简称预锚) 方案具有较大的优势。首先，它可以 提供较大的锚固力，满足大坝加固中的技术要求，改善坝体稳定和应力状态、增强坝体 的整体性；闭合水平裂缝并限制其发展，提高抗震能力，减少库水渗漏损失；满足大坝 加高要求等。其次，预锚布置灵活，施工方便，干扰小，不影响电站正常发电和水库运 行。再次，与增加大坝自身重量等其他方案相比，节省投资3 0 巧0 。 预应力锚索由锚固段、张拉段和外锚头三部分组成。预应力锚索锚固是对岩体进行 钻孔，将锚索送入钻孔深入岩体内部，按照设计要求使锚索张拉到控制应力，然后用锚 具固定并通过灌浆( 常用水泥砂浆) 使得灌浆体达到设计强度，其传力途径是依靠锚索 与灌浆体的粘结力阻止锚索的弹性回弹，使锚索周围岩体获得预压应力。当任意两者发 生相对位移时，有效的结合就遭到破坏，它们之间的阻力主要为摩擦作用提供。规范规 定【8 5 】，对需要加高的坝体或对水工建筑物的裂缝、缺陷进行补强时，经过技术经济比较， 可采用预应力锚杆进行加固；采用预应力锚杆加固坝体，在坝体抗滑稳定校核中，抗滑 稳定安全系数应满足规范要求。对水工建筑物的裂缝或者缺陷采用预应力锚杆加固时， 一丑一 大连理工大学硕士学位论文 应选择适合子原水工建筑物强度要求的锚固力，为减少锚固段部位的应力集中，锚周段 应错开布置。附录b 为国内主要大坝加固预应力锚固技术参数。 图l 1 阿尔及利亚的舍尔法坝 f 培1 1 1 kc h e u r 垃l sd 跚o f a j g e d a 1 3 2 重力坝地震破坏研究 2 0 世纪7 0 年代后，随着计算机的普及和相应产生的有限元、差分法及边界元等各 种数值计算方法的发展，相继出现了各种混凝土本构模型，并用于混凝土大坝的动力分 析及安全评价中，来研究大坝的地震响应、极限承载力以及破坏特征。早期一般使用线 弹性分析方法，计算结果可使人们对大坝的应力、位移等分布有较为直观的认识，并用 以评价其安全性能。但是随着对大坝非线性认识的加深，使人们了解到，为能尽量准确 地反映大坝的真实工作状态，必须使用非线性分析方法。 对于材料非线性而言，大坝混凝土的损伤、断裂特性在很大程度上影响了大坝地震 动反应，国内外许多学者从这两方面出发，研究出很多断裂力学模型和损伤力学模型。 在大坝断裂的研究中，主要有分离裂缝模型( d i s c r e 把c r a 呔m 0 d c l ，d c m ) 和弥散裂缝模型 ( s m e a r c dc r km o d c l ，s c m ) 。断裂力学方法可获得连续介质结构在出现裂缝后结构体的 混凝土重力坝动力响应分析及抗震措旆研究 响应，并可分析断裂进一步的发展，对于宏观裂缝出现以前局部微裂纹的存在及其对材 料性能的影响显得无能为力。 c h o p r a 和c h a k r a l ) a t i 【3 3 】早在1 9 7 2 年用线弹性模型分析了裂缝形状及位置。以后通 过对大坝非线性了解的加深，人们认识到只有利用非线性分析方法才能较准确地分析坝 的工作表现。s 嫡k e m d 和b 解h m 锄f 3 4 】在1 9 8 6 年用离散裂缝模型进行混凝土重力的动 力分析，并用强度准则判断混凝土的起裂和扩展，考虑了裂缝的开张、闭合和再张性状， 分析了k o y l l a 重力坝的动力开裂响应。b h a ：t t a c h 巧e e 和l c g 盯 3 5 】用弥散裂模型( s c 岣分析 了静动荷载作用下的混凝土重力坝的反应，分析结果表明，k o y r i a 重力坝裂缝出现在坝 基和坝下游面坡度改变处。y u 甜和c a l a y i 【3 6 l 等采用考虑材料压应变软化行为的共轴旋 转裂缝模型，模拟了在地震作用下k o y l l a 大坝在坝颈部将产贯穿性的裂缝。l e g e r 和 l e c l e r c 【3 1 1 利用非线性断裂力学方法研究了混凝土重力坝在地作用下可能的裂缝扩展情 况和大坝的断裂机理。在国内，陈万吉【3 射、张楚汉、王光纶【3 9 】等采用非线性断裂对地震 激励下的混凝土坝的破坏响应情况进行过详细的研究。 从上个世纪9 0 年代以来，损伤力学方法逐步被用于在混凝土大坝的非线性分析中。 损伤力学通过引入损伤变量便于描述介质损伤的渐进发展，可模拟结构中裂纹萌生、扩 展以至失稳的全过程，为模拟连续介质的逐渐劣化过程提供了一种有效的分析手段，但 损伤力学模型难以进一步准确描述结构损伤破坏的真实模态。从己有大坝损伤方面的工 作可见，主要集中在弹性损伤、弹塑性损伤方面。g 埘b 和t i i l a 诵1 4 0 j 利用损伤力学方法 研究含缺口的k o y n a 大坝在不同超高水位下的损伤导致的裂缝扩展，说明了损伤中网格 依赖性对分析结果有较大影响。并分析了k o y i l a 重力坝在地震中的断裂局部化现象，使 用的弹脆性损伤模型仅考虑拉损伤的影响。c e v e r a 、o l i v e 】等建立了各向同性损伤模型， 研究了k o y l l a 重力坝和一拱坝在地震作用下的损伤破坏情况，指出大坝的损伤基本是由 于受到地震作用造成的拉损伤所引起的，认为大坝的非线性性状可通过各向同性损伤模 型描述。并建立了一个考虑应变率对混凝土刚度影响的损伤本构模型。针对k o y t l a 重力 坝利用率相关和率无关模型进行动力损伤分析发现，对强度等指标提高5 0 后的率无关 损伤模型的分析结果和率相关损伤分析结果较相近并可借鉴为动力安全评价。 v a l l i a p d a i l 【4 2 】等采用考虑混凝土各向异性损伤模型对某双曲拱坝进行非线性动力分析， 并和线弹性分析做了比较。j e e h 0 l e e 和f v e s 【4 3 】采用了可考虑循环加载的塑性损伤模 型，并考虑受拉和受压下的材料强度降低和剐度退化，指出对k o y m 大坝的破坏来说拉 损伤比压损伤起的作用更显著，但震后大坝仍能维持稳定。y a z d c l l i ，l a l 和v a l l i a p p 锄1 4 4 1 利用连续损伤力学分析了k o y i l a 混凝土重力坝的动力损伤响应，研究表明k o y 豫坝的 一6 一 大趣工大学硕士学位论文 坝颈破坏是由于下游折坡处的损伤向上游面斜下发展造成的，并且不同的坝基刚度比对 混凝土重力坝的损伤响应将有较大的影响。 近几年，我国损伤力学研究受到重视，针对大坝混凝土损伤破坏，国内几所高校、 研究机构分别开展了工作，不仅研究了历史上的典型震害k o y n a 大坝实例，并且对我国 诸多的重力坝、拱坝工程进行了损伤破坏分析，损伤力学方法研究混凝土大坝在国内也 得到了认同。 杜成斌【4 5 】对k o y l l a 坝进行了弹脆性损伤力学地震响应分析。张我华 4 6 4 刀等从连续损 伤力学的观点研究了岩体结构在动力作用下的脆性损伤分析，并研究了不同岩基对重力 坝体内损伤分布的影响。邱战洪等在连续损伤力学基础上，建立含脆性和粘弹塑性破坏 的非线性动力损伤本构模型，用于研究龙滩重力坝和坝基的地震响应和破坏过程分析。 陈健云1 4 s 】等使用李庆斌的动力损伤演化方程。考虑应变率因素，用于混凝土重力坝的地 震响应分析。杜荣强【4 9 1 等就k o y n a 进行了弹塑性损伤地震响应分析，并对三峡大坝的一 个非溢流坝段进行了地震超载安全研究，并做了大坝的抗震安全评价。陈厚群【5 0 】等对丰 满大坝的挡水和溢流坝段，考虑动接触和地基辐射阻尼的影响，研究了纵缝对坝体地震 动力反应的影响，并评价了丰满大坝的抗震安全性。冯树荣f 5 】j 等对龙滩碾压混凝土重力 坝采用材料力学动力法和非线性有限元动力法分析，研究表明龙滩大坝的抗震安全性和 超载情况。张国新睁2 】用流形元和子域奇异边界元相藕合，对k o y n a 大坝进行了地震破坏 模拟，指出重力坝的断裂是由于上下游表面的裂缝向坝体内部扩展引起的，较好的模拟 了该坝的动力破坏过程，破坏形式和裂缝出现的位置。 1 4 现阶段存在的问题 大坝抗震能力与抗震安全性的研究是一个富有挑战性的课题，所涉及的学科面比较 广，技术难度较高，目前的研究还不够系统和深入。 1 4 1 抗震设防标准与地震动输入模式 近3 0 年来，大量坝址强震记录表明，实测到的地震加速度不少超过、甚至远远超 过大坝抗震设计所采用的加速度。基于这种情况，两级抗震设防标准在许多国家已经逐 渐走向具体化。我国有些单位目前开展了大坝性能设计方面的研究，对不同的设防水准 地震，规定大坝所应达到的性能要求。 合理确定水工建筑物基底的输入地震动是确保抗震安全的重要前提，但大坝坝基地 震动输入机制十分复杂。目前较为合理的确定地震动的步骤是首先根据工程场地及邻近 地区的地址和地震资料，通过专门的分析论证，确定代表坝址基岩水平地表设计地震动 输入的基准地震动；然后采用相应途径确定坝基的地震动输入。 一7 混凝土重力坝动力响应分析及抗震措施研究 综合各国学者的意见，关于地震的输入方式，概括起来主要有四种：( 1 ) 有质量地基， 人工划定地基范围，在人工边界上将地震作为均匀输入；( 2 ) 无质量地基，输入方式与( 1 ) 相同，但视地基为无质量的弹簧；( 3 ) 反演输入，将自由场记录在无坝条件下反演至深层 地基，加上坝库系统后将反演结果加到人工边界上。( 4 ) 自由场输入。首先根据反演结果 或波动方法求出拱坝坝肩各点的自由场历程，在将这个历程作用于三维有限元拱坝与地 基的连接边界上。有限元分析模型是研究地震输入及力对结构地震响应影响的主要手 段。我国学者在这方面做出了较多的贡献。研究表明，不同输入模型对大坝地震响应的 影响差别较大。由于各种复杂因素的影响，目前还没有一个统一的输入模型。 1 4 2 混凝材料的动态特性 混凝土是应变速率敏感性材料。在混凝土坝的动力分析中，在强震作用下，重力坝 的坝头和坝踵部位势必出现相当数量的拉应力而难以达到设计规范中有关基本不出现 拉应力的要求；拱坝的地震拉应力值更大，也势必超过设计规范中基于经验性给出的允 许拉应力值的安全标准。大量动力分析结果表明：混凝土的抗震强度验算中，拉应力值 常起控制作用。因此，在混凝土水工建筑物的抗震计算中，应明确规定混凝土抗拉强度 的标准值及其相应的安全准则。 1 4 3 坝与无限地基动力相互作用的研究 众所周知，对于地震作用下坝地基的动力相互作用问题，长期以来，地基的模拟 采用的是无质量弹性地基，地震荷载则采用的是传统的均匀输入的地震作用模型。然而， 实际地基是有质量的半无限体，地震波动能量将向无穷远处逸散，也即无限地基的辐射 对散射地震波动能量将起到一种吸能作用。并且，对于建于深山峡谷中、基底延伸很长、 上下高差显著的高拱坝坝址，沿坝基交界面的地震动幅差和相差明显，忽略这种不均匀 性对于空间整体作用效应明显的高拱坝也将难以反映坝体的实际地震反应。针对影响拱 坝地震动力响应的关键问题，国内外学者在数值模拟方面进行了大量的研究工作， c h o p r a ( 1 9 9 2 ) 、张楚汉和金峰等采用边界元及无限边界元等模拟无限地基，以考虑远场 无限地基的辐射阻尼效应，并应用于小湾、溪洛渡等实际工程，结果表明，辐射阻尼效 应可使拱坝地震响应降低2 0 o 。上述方法原则上讲仅适合于频域分析，难以适用 于基岩介质中存在有可能进入非线性的节理裂隙、断层和软弱夹层情况和坝体中构造缝 和施工缝的接触非线性情况。近场波动数值模拟的解耦方法，由于其“解耦”特征，处 理简单，精度可控，特别是克服了上述频域分析方法难以用于非均匀、非线性介质波动 问题的困难，因此，陈厚群等( 2 0 0 1 1 发展了基于波动理论的、在合理计入无限地基辐射 大连理工大学硕士学位论文 阻尼影响的同时，也一并计及坝体缝面接触非线性、坝基岩体实际地质条件等综合影响 的拱坝系统三维非线性有限元地震波动响应分析方法，并应用于小湾、溪洛渡、龙羊峡、 拉西瓦等高拱坝工程的抗震问题研究，计算成果表明无限地基辐射阻尼对坝拱地震响应 降低也十分显著，最大降幅可达5 0 。 坝与无限地基动力相互作用对坝的地震响应与抗震安全产生重要影响，相互作用的 计算模型与计算方法，特别是针对三维拱坝的动力相互作用分析是一个比较复杂的课 题。因此这方面还有待于进一步深入研究。 1 5 本论文主要完成的工作 本论文主要研究了龙开口碾压混凝土重力坝非溢流坝段在地震作用下的的动力特 性，在详细分析坝体动态开裂机理的基础上，尝试提出合理的工程抗震措施。总的来说， 主要研究工作总结如下： ( 1 ) 已有研究表明，对混凝土坝抗震采用线弹性分析得到的最大拉应力远大于混凝 土的抗拉强度，在强震作用下，坝体将不可避免地产生开裂。主要研究了非溢流坝段采 用混凝土损伤塑性模型在自重、静水压力以及地震荷载作用下的动力特性、拉伸损伤分 布、塑性应变分布、等效塑性应变分布、破坏路径、动力放大倍数以及耗散能。并在此 基础上探讨了典型地震波、阻尼比及设计水平加速度对坝体安全可靠度的敏感性影响。 ( 2 ) 根据弹性理论分析，重力坝在坝踵和坝址均有应力集中现象。实际情况下，重 力坝在上游水压力及地震荷载作用下，坝踵及坝前地基内常存在拉应力，有可能在坝踵 出现裂缝。由于地基裂隙的存在对坝踵应力集中起到松弛释放作用，因此假设在上游基 岩部位人工设置一条诱导缝，分析其对坝踵应力的影响，并在此基础上对缝的位置进行 优化分析。 ( 3 ) 在详细分析重力坝开裂现象的基础上，研究了重力坝的动态开裂机理、钢筋混 凝土的断裂能以及预应力锚索的数值模拟。针对此现象提出了工程抗震措施，主要包括 坝体配筋和预应力锚固两种措施，并给出加固前后的损伤破坏比较，以验证加固措施的 有效性。 混凝土重力坝动力响应分析及抗震措施研究 2 动力分析的基本理论 本章主要是对混凝土重力坝动力分析的基本理论进行简单介绍。从单自由度体系的 振动方程入手，详细介绍了多自由度体系的振动方程以及时程分析的基本理论。 2 1单自由度体系的振动方程 混凝土重力坝动力分析的理论基础是多自由度体系的振动理论。然而，多自由度体 系振动理论的基础是单自由度体系的振动理论。首先简单介绍一下单自由度体系的振动 方程。 图2 1 所示为一最简单的单自由度体系，其中质点质量为m ，弹簧常数为k ，阻尼 常数为c 。为便于分析，假定地面是刚性平面 同时假定地面运动和结构振动只是沿着 水平方向振动，无扭转发生；质点的运动能够用它相对于平衡位置的位移u 来表示。质 点上作用外力f m ，在它的作用下质点在平衡位置附近振动，是时刻t ，质点偏离平衡位 置u ( t ) 。则沿着位移自由度方向作用的力包括外力f ( t ) 以及由于运动引起的三个力：惯 性力石，阻尼力厶，弹性弹簧力z 。因此力的平衡方程就应为： 力十厶+ 石= f ( f ) ( 2 - 1 ) 式中：工= m 1 【f ，厶= 础，五= k i l 带入式( 2 1 ) 可写为： 聊直十c 矗+ 五w = f f f )( 2 2 ) 振动方程( 2 2 ) 是地面保持不动，外力直接加在单质点上的情况。 图2 1 单自由度体系 f 嘻2 1ms i n g k 地g o f 舶c d s y s t e m 在地震时，地震力是使地面发生一定的运动，经过弹簧系统将地震力传给质点，使 质点相对于地面进行振动。假定地震作用下地面相对于固定坐标系的位移为毪，加速 大趣工大学硕士学位论文 度为( ，) 。单质点相对于地面的相对位移仍为u ( t ) ，其对于固定坐标系的位移为u ( t ) + 咋p ) ，加速度为+ 豇。( f ) 。 图2 2 地震作用下的单质点 f i 晷2 2 t h es 访舀e - n o d eu n d e re a r t h q u a k ea c t i o n 若质点上没有其他外力作用，力的平衡方程为： m 蠢+ c 矗+ 妇= 一m 磁 ( 2 - 3 ) 从上式可以看出地面运动的影响就是在质点上作用一个大小等于拼五。而方向相反的动 荷载，地震对结构的作用是地面加速度菇。，而不是地面位移“。( f ) 。式( 2 3 ) 就是单自由 度体系在地震地面运动影响下的运动方程。 2 2 多自由度体系的振动方程 假设有n 个自由度的体系，质点m 1 、m 2 、m 3 m 。受到外力f i ( t ) 的作用( i = 1 ) ，各 质点在其平衡位置附近振动。其运动可以用它们相对于平衡位置的位移u l ( t ) 、u 2 ( t ) 、 u 3 ( t ) ( t ) 所来确定。对于每个自由度列出平衡方程，即系统的振动方程e m 1 1 m 1 2 m 2 1m 2 2 m mm h 2 + m h m 2 n m _ k 1 1k 1 2 k 2 ik 2 2 k lk 。2 甜 k 1 k 2 月 ： k 。 c l lc 1 2 c 2 lc 2 2 c w lc n 2 甓 c h c 2 月 ： c m e ( t ) 巧( t ) ； e ( t ) 域( t ) 吐：( t ) ； 吐。( t ) ( 2 4 ) 混凝土重力坝动力响应分析及抗震措施研究 上式可以简写为： m 】( 甜+ 【c 】 讲+ 脚忸 = 毋 ( 2 5 ) 式中：区】、嗍、【c 】分别为系统的整体刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵； u ) 、 田、艘分别为位移、速度和加速度向量； f ，为荷载向量。 地震情况下，地震力使地面发生一定的运动，经过系统将地震力传给各质点，使备 质点相对于地面进行振动。地震作用下地面相对于固定坐标系可写出系统的振动方程： 【m 】 西 + c 】 丘) + 足】 甜 = 一 ，】【g 】 a 。( t ) ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 就是多自由度体系在地震地面运动影响下的振动方程。其中 g 】是从地面运动的 三维笛卡尔坐标系空间到n 个自由度体系的n 维空间的转换矩阵； a 。( t ) 是地基边界 均匀输入的地震加速度时程。 2 3 有限元基本思想 1 9 6 0 年克拉夫第次提出“有限单元法”的名字，使人们认识了有限单元法的功效。 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散成一组有限个、且按照一定方式相互联 接在一起的单元组合体，利用在每个单元内假设的近似函数来表示求解域上待求的未 知函数。单元内的近似函数可以由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和插 值函数来表达。这样，某个问题的有限元分析，未知场函数或及其导数在单元的各个结 点的数值就成为新的未知数，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度 问题，求解出这些未知数就可以通过插值函数计算出各个单元内常函数的近似值，从而 进一步得到整个求解域上的近似值。 有限单元法计算结构应力和位移的主要步骤如下： ( 1 ) 结构离散化即把求解模型剖分成网格，把整体离散成各个单元，单元之间靠 连续条件和平衡条件来协调，单元内的具体形态要靠计算精度等其他因素来确定。 ( 2 ) 选择位移函数即选择合适的位移函数来近似模拟实际结构的应力分布。一般 都选择多项式作为位移函数。 ( 3 ) 单元刚度阵【k 】的形成单元刚度阵主要取决于位移模型、单元几何形状、和材 料本构关系。平面问题的单元刚度阵可以表