（水工结构工程专业论文）混凝土坝裂缝危害性分析方法研究.pdf

摘要 摘要 本文结合国家自然科学重点基金项目，雅砻江水电开发联合基金 ( 5 0 5 3 9 0 3 0 ) “复杂条件下高拱坝的失效破坏机理和安全评估”项目以及国家自 然科学基金重点项目“现代水工大体积混凝土裂缝机理与控制”( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) ，运 用可拓理论、突变理论、小波理论以及有限元数值分析方法，对混凝土坝裂缝的 危害性进行了研究。主要内容如下： ( 1 ) 探讨了裂缝的产状特征、影响因素以及危害特性，根据裂缝的工程分 类标准及其对大坝结构强度、稳定、耐久性和安全性的影响，确立了裂缝危害性 评价体系，从而对裂缝的危害性做出了轻微、一般、严重以及特严重的等级划分， 并将可拓理论引入到裂缝的危害性等级划分中，建立裂缝危害性多参数综合评价 的物元模型，用关联函数及关联度来确切地反映裂缝危害等级及程度。 ( 2 ) 通过对裂缝实测资料时间序列的小波分解，提取了裂缝时效变形分量， 应用尖点突变理论和应力强度因子建立了裂缝失稳的判别方法。 ( 3 ) 基于o t t o s e n 的四参数破坏准则，利用a b a q u s s t a n d a r d 提供u m a t 的接口进行了二次开发，通过建立整体无缝和带有水平、竖直以及水平和竖直裂 缝的四种模型，研究了融合接触算法的双节点单元的裂缝模型，分析评价了裂缝 对坝体承载能力的影响。 ( 4 ) 在深入分析混凝土坝裂缝危害性的基础上，探讨了基于自振频率的大 坝结构刚度和整体性评价方法，应用a b a q u $ 提供的子空间迭代法对不同裂缝 状态下的四种混凝土坝模型分别提取了自振频率，分析了不同裂缝状态下自振频 率的敏感性，并结合大坝变形能以及测点位移的变化，研究了裂缝对大坝整体性 的影响。 关键词：混凝土坝、裂缝、危害性评价、自振频率、小波分析 a b s t r a c t i nc o m b i n a t i o nw i t hp r o g r a mo ff a i l u r em e c h a n i s ma n ds a f e t ye v a l u a t i o no f h i 曲a r c hd a mu n d e rc o m p l i c a t e dc o n d i t i o n s 跚p p o n e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c em a j o rf u n da n dy a l o n gr i v e rh y d r o p o w e rd e v e l o p m e n tj o i n t e df u n d ( 5 0 5 3 9 0 3 0 ) a n dn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d e dk e yp r o g r a mo f f r a c t u r em e c h a n i s m a n dc e n t r e lo ft h em o d e mm a s s i v eh y d r a u l i cc o l l e r e t ec r a c k s ，t h ep a p e rf o c u s e s0 1 1 h a z a r de v a l u a t i o nm e t h o d so fc o n c i e t ed a mc r a c k sb yu s i n ge x t e n i e st h e o r y , c a t a s t r o p h et h e o r y , w a v e l e tt h e o r ya n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d s t h em a i n c o n t e n t sa r ca sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef e a t u r e s , i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dh a z a r dp r o p e r t i e so fc o n c r 咖d a m c r a c k sa r e s t u d i e d , a n dt h ee v a l u a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e da c c o r d i n gt oi t s e n g i n e e r i n gc l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r d sa n dt h ei n f l u e n c eo ns t r e n g t h , s t a b i l i t y , d u r a b i l i t y , a n ds a f e t yo fd a m s t h e nt h ec r a c kh a z a r di sd i d d e di n t of o u rc l a s s e so fs l i g h t , g e n e r a l ，s e r i o u sa n dt h em o s ts e r i o u s ，e x t e n i e st h e o r yi si n t r o d u c e dt oe s t a b l i s ht h e m u l t i - p a r a m e t e rm a t t e re l e m e n tm o d e la n dt h e nl e v e l sa n de x t e n d so fh a z a r da r e e x a c t l yd i s p l a y e db yc o r r e l a t i o nf u n c t i o na n dc o r r e l a t i o n ( 2 ) w i t ht h ew a v e l e td e c o m p o s i t i o no ft i m es e r i e sd a t ao fm c a s m e dc r a c k s ， c o m p o n e n t so ft i m e - d e p e n d e n td e f o r m a t i o ni se x 雠d c t e d , c r a c kp r o p a g a t i o nc r i t e r i ai s d e v e l o p e db yt h ea p p l i c a t i o no fc a t a s t r o p l mt h e o r ya n dc a l c u l a t i o no fs t r e s si n t e n s i t y f a c t o r s ( 3 ) b a s e do no t t o s o nf o u r - p a r a m c l c rf a i l u r ec r i t e r i o n ，as e c o n dd e v e l o p m e n ti s u n d e r t a k e nw i t hu m a ti n t e r f a c ep r 嘶d e db ya b a q u s s t a n d a r df o g 删咀b yu s i n g m u l t i n o d ee l e m e n ta n dc o n t a c tm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo fc r a c ko nl o a d - b e a r i n g c a p a b i l i t yi ss t u d i e db yc o m p a r i n gw i t hf o u rm o d e l sr e s p e c t i v e l yw i t h o mc r a c k , w i t h h o r i z o n t a lc r a c k s ，w i t hv e r t i c a lc r a c k sa n dw i t hh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lm o d e l s ( 4 ) b a s e do ni n t e n s i v eh a z a r da n a l y s i so fc o n c r e t ed a md a m a g e s ， n a t t l r a l f r e q u e n c yb a s e dm e t h o di sd i s c u s s e dt oe v a l u a t es n u c n 叫s t i f f n e s sa n dd a m i n t e g r i t y w i t l lt h ea p p l i c a t i o no fs u b s p a c ei t e r a t i o nm e t h o df o rn a t u r a lf r e q u e n c y e x t r a c t i o np r o v i d e db ya b a q u s ，n a t u r a lf l e q u e n c yi se x t r a c t e dw i t hf o u rd a m m o d e l sm e n t i o n e da b o v e ；s o n s i t i v i t yi sa n a l y z e du n d e rd i f f e r e n tc r a c k sf e a t u r e s , a n d m f l u e n c eo nd a mi n t e g r i t yi sa n a l y z e dc o m p a r i n gt oc h a n g e si nt o t a ld e f o r m a t i o n e n e r g ya n dd i s p l a c e m e n ta tm e a s u r i n gp o i n t s k e yw o r d s ：c o n c r e t ed a i n c r a c k , h a z a r de v a l u a t i o n , n a t u r a lf r e q u e n c y , w a v e l e t a n a l y s i s 学位论文独创性声明； 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负 全部责任。 谳孙立监一矽厂月才日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者c ：上n 7 年厂月纱日 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 裂缝是混凝土坝的主要病害之一，几乎所有的混凝土坝都存在不同程度的 裂缝，因此，著名的水电专家潘家铮断言“世界上没有无裂缝的水坝”f l 】。国际 坝工委员会( i c o l d ) 1 9 8 8 年所作的关于大坝工作状态的调查报出1 2 】指出。世 界各国已建成的混凝土坝绝大部分或多或少的存在着裂缝，目前遭受灾难性破坏 的混凝土坝共有2 4 3 座。八十年代，中国水利科学研究院对我国的十五座大型 混凝土坝的裂缝情况作了调查m ，结果表明湖北丹江口9 7 m 高的宽缝重力坝裂 缝最多，共有3 3 3 2 条；湖南柘溪1 0 4 m 高的大头坝裂缝最少，共有1 2 0 条；1 9 9 1 年大坝监察中心对国电公司下属9 6 座大坝进行一次检查发现，混凝土产生裂缝 是我国库区大坝的普遍现象，有近7 0 座大坝的裂缝规模较大，安全情况不容乐 观【4 1 ，图1 1 1 为9 6 座大、中型水电站大坝的主要缺陷和隐患 8 0 f 口( 1 ) 防洪标准偏低 网日( 2 ) 坝基存在重大隐患 日( 3 ) 坝体稳定安全系数偏低 口( 4 ) 结构强度不满足要求 田( 5 ) 裂缝规模大 圈( 6 ) 坝基、坝体扬压力偏高 母( 7 ) 泄洪建筑物损害严重 日( 8 ) 混凝土老化显著 日( 9 ) 近坝库岸边坡不稳定 日( 1 0 ) 水库淤积严重 田( 1 1 ) 水工金属结构存在重大缺陷 日( 1 2 ) 大坝监测设施项目或精度低 图1 - 1 19 6 座大，中型水电站大坝的主要缺陷和隐患图 国内外的大坝中，由于裂缝而失事或影响运行、影响效益发挥的实例很多， 如安徽省梅山连拱坝旧吲”1 9 6 2 年1 1 月6 日，右岸垛基突然大量渗漏水，达7 0 l s ， 坝体出现几十条裂缝，大坝处于危险状态，被迫放空水库进行加固；佛子蛉连拱 坝嘲1 9 9 3 年1 1 月下旬，河床1 3 个垛墙顶向下游的位移量都超过了历史最大值， 坝体裂缝有扩展迹象，被迫控制水位运行；龙羊峡重力拱坝嘲从1 9 8 6 年l o 月蓄 水以来，在2 5 1 0 m 2 5 7 0 m 高程的下游面出现了约3 5 条裂缝；陈村大坝坝身出现 加缓“蠹 舌；的 们 加 0 避 河海大学硕士学位论文 了大量裂缝，期断面浇筑完不久就在i 期混凝土顶部( 1 0 5 m 高程附近) 产生 裂缝，自5 。坝块一直延伸至2 8 1 坝块，长达3 0 0 余米，经探测，裂缝深达5 m 以上； 丹江口水利枢纽混凝土坝“o 】c “1 1 9 - 2 4 。坝段1 1 3 m 高程水平裂缝长期渗水，修补前 水平裂缝多年实测最大渗漏为4 8 l m i n ，对坝体的稳定性和耐久性构成威胁；青 铜峡大坝电站“小”1 坝段三大贯穿性裂缝及3 胸墙裂缝，降低了坝体的稳定性，削 弱了坝体结构的刚度，胸墙漏水造成表面混凝土的风化侵蚀，对电站的正常运行 和建筑物的耐久性不利；李家峡大坝电站“”混凝土在旖工期间产生1 5 7 条裂缝， 其中绝大多数属于表面或浅层裂缝、深层裂缝，对结构的影响较小；奥地利的 b o d e n s p e r r e n 坝于1 9 7 6 年蓄水，1 9 7 9 年发现中央坝段上游坝面，在基础面以上 约1 8 米处有一条向左右岸延伸，长约1 0 0 米的裂缝，后对大坝进行防渗灌浆修 复，但1 9 8 3 年又发现了新裂缝，同时渗水量为1 0 0 0 l s ；奥地利于1 9 6 7 1 9 7 1 年 间修建的施莱盖斯( s c h l e g e i s ) 拱坝“”( 坝高1 3 1 m 、坝顶长7 2 5 m ) ，水库蓄水首 次达到坝高的9 0 时，在上游坝踵区产生了较高的拉应力，裂缝遍布整个受拉区， 并贯通至基础廊道，渗流量达2 5 1 l s ；美国的德沃歇克( d w o r s h a k ) 实体重力 坝，上游面出现的劈头裂缝深度达5 0 m ，宽度2 5 m ，裂缝渗水量4 8 3 1 i s ；二 滩水电站拱坝“”“”自从2 0 0 0 年1 2 月右岸3 3 i 3 矿坝段下游发现裂缝以来，裂缝 不断增加，而且原有裂缝也有扩展的趋势，据2 0 0 5 年1 月大坝下游坝面裂缝检 查情况，在3 2 3 5 4 坝段下游面共发现裂缝9 4 条，裂缝最大长度1 3 9 i n ，最大缝 宽为l 2 m ；裂缝平均长度为3 1 m ，裂缝较2 0 0 3 年1 2 月增加6 4 条，增幅较大， 裂缝的走向约4 0 度斜向左岸上部，8 条裂缝在不同水位工况下有不同程度的渗 水痕迹现象。表1 - 1 - 1 统计了国内外部分拱坝开裂事故【1 9 1 1 2 0 l 。 坝 名国家坝高，m事故原因及概况 加日法国 4 1 0 坝体出现大量水平裂缝和一道贯穿性剪切裂缝开裂 托 拉法国s g 0坝体严重开裂，水压和温度荷载使坝内应力超限 科恩布较 奥地利2 0 0 o 上游坝踵开裂贯穿通廊道坝体渗水部分河床坝段底部被剪断 弗雷尔秘鲁 7 4 t o 地震中左坝座下游岩体坍塌，坝体左姆产生贯穿性裂缝 帕卡依玛美国1 1 3 o地震中左坝座下游岩体松动坍落，坝基开裂坝左端横缝张开 帕尔迪美国 1 0 5 0 混凝土质量低下，封拱藩浆温度高蓄水后横缝拉开严重漏水 科帕水库美国 6 4 0 混凝土骨料域反应坝体膨胀出现裂缝坝顶向上游位移增大 派科尔 美国 9 8 0 混凝土骨料域反应。坝体裂缝、位移较大。强度和弹模降低 吉思瓦什美国 4 2 0 混凝土骨料碱反应，坝体膨胀出现裂缝，坝体强度降低 斯土厄特山美国 6 5 o 混凝土骨料，碱反应引起坝面裂缝，坝顶向上游位移达1 5 2 m m 矗利利南非4 6 0上游坝踵开裂 罗德埃斯堡南非 7 2 o 泱水漫顶，坝踵产生贯穿住裂缝，漏水 呼呼威 南非3 7 0 宽阔河谷的河床段，埙体上游坝踵开裂，裂缝长达2 6 2 m m 塔姆华斯澳大利亚 2 0 0 冬季温降收缩使拱冠产生垂直裂缝从坝顶至坝基，缝宽l o m m 萨扬舒申斯克前苏联 2 4 2 0 旌工期产生众多裂缝，运行期裂缝继续开展，嗣水量达2 0 0 l s 陈村中国 7 6 3 坝下游砸产生水平裂缝，左岸坝基育不可逆位移 2 第一章绪论 坝名国家坝高m事故原因及概况 响水中国1 9 5 坝下游面出现3 6 条与边界正交裂缝，有1 2 条裂缝渗水 丰乐中国 5 4 0 坝下游面两侧出现平行岸坡裂缝，局部有喷雾和浸澜现象 职河口中国3 1 2 水库蓄水后坝踵开裂，裂缝沿砌石灰缝发展，漏水呈水帘状 常峪口中国3 7 0 坝下游面产生水平裂缝 席勒格伦得奥地利 1 8 6 | o 坝基有塑性变形，蓄水接近满库时坝段上游坝踵开裂漏水 施莱盖斯奥地利 1 3 1 0 蓄水接近高水位时坝踵开裂廊道内出现漏水 泽乌齐尔瑞士1 5 6 0 坝基和坝体沉陷，坝顶位移达1 2 5 1 r i m ，坝体开裂，横缝被拉开 圈莱斯瑞士8 6 o 坝体弹性位移减小永久性塑性位移增加，出现水平裂缝、漏水 舍夫雷腊墙士 1 5o o 坝体部分横缝张开。径向相对位移7 5 m m 。切向相对位移2 m m 施皮塔拉姆瑞士 i l t o 施工期产生温度裂缝，运行期下游面受冻破坏，接缝继续开展 奥特法日法国5 4 ，o 左岸岩基塑性变形大，坝下游面开裂，坝和基岩接触面拉开 埃尔阿塔扎西班牙 1 3 4 0 左岸坝基疲劳破碎坝踵产生裂缝，坝体漏水量达1 5 0 l s 卡勃里耳葡萄牙 1 3 5 0 坝体出现水平裂缝2 5 2 条，部分横缝拉开，坝基破碎漏水 博萨 葡萄牙 7 0 0 坝基右岸和左岸内断裂引起漏水和冲蚀，下游面出现水平裂缝 随着我国大坝建设的进一步发展，尤其是锦屏( 高3 0 5 m ) 、小湾( 高2 9 2 m ) 、 拉西瓦( 高2 5 4 m ) 和溪洛渡( 高2 7 3 m ) 等2 5 0 - - 3 0 0 m 量级特高拱坝的建设，许 多参数超过了理论设计范围，也没有现成的类似工程经验可以参考，特高拱坝裂 缝的发生和发展有何特点，这种局部损伤裂缝对拱坝整体性结构有何影响，如何 评价等是大坝安全监控问题亟待解决的闯题，因此，本文结合国家自然科学基金 开展“混凝土坝裂缝危害性分析方法研究”，具有重要的理论意义和实际应用价 值。 1 2 国内外研究现状 裂缝发生发展及其危害性评价方法可分为数值仿真分析、模型试验、现场 检测监测正反分析等几大类。数值仿真分析和模型试验主要从微观、细观以及宏 观角度对裂缝的发生发展进行模拟分析，研究裂缝发生发展的机理和开裂与失稳 判据，其中大量的研究集中在裂缝的模拟方面。现场检查监测资料分析评价方面， 主要采用概率统计、模糊数学、灰色理论、非线性动力系统理论等进行定性和定 量的分析和评价。通过结构模型破坏试验1 2 1 i 确定坝体的超载能力能够得到相当明 显的形象概念和充分的量值结论，给出一个宏观的安全指标；能得出破坏的全过 程，如裂缝的形成、发展直至坝体破坏。如王梅 2 2 1 等结合普定和沙牌两座碾压混 凝土拱坝的结构模型破坏试验，对比分析了两座拱坝的结构应力、坝体位移及拱 坝开裂破坏过程、破坏形态和破坏机理；陈媛嘲等在模型试验中实现了诱导缝的 开裂相似模拟，进行了材料的断裂特性试验和力学理论推导。本文主要应用数值 仿真方法和检测资料开展混凝土坝裂缝危害性分析方法的研究。 河海大学硕士学位论文 1 2 1 数值分析 混凝土裂缝问题的数值分析方法主要有限元法m l 、边界元法口5 】以及近年来 发展起来的流形元嗍和无单元法 2 7 1 等。其中对于结构的承载能力分析常用的数值 分析方法有两种：( 1 ) 弹塑性分析方法，即根据应力，应变关系、具体问题的初 始条件和边界条件、荷我历史等来逐步求解承载能力；( 2 ) 塑性极限分析方法， 简便可靠，忽略中间的弹塑性过程直接研究极限状态。 在数值分析基础上，应用断裂力学理论研究混凝土裂缝的发生和发展方面， 国内外做了大量工作。其中，k a p l a n 最早将断裂力学用于混凝土研究，并于1 9 6 3 年将金属断裂力学理论用于混凝土断裂力学分析；1 9 8 6 年y j e n g 、s p s h a h 嗍 指出，混凝土在荷载逐渐增大的同时，原裂纹将出现缓慢非线性扩展，到达荷载 临界值时，才出现失稳扩展。a 。r i n g e r a f f e a z g 等人于1 9 8 0 年曾对方塔腊岛坝 的裂缝用断裂力学作过计算研究；美国陆军工程师兵团与1 9 8 4 年对德沃歇洛克 ( d o r s h a k ) 和理查德b 卢塞尔坝l ”1 中的裂缝作过断裂力学的研究；n g o 和 s c e r d e l i s 引1 提出了分离裂纹模型，裂纹两边有限单元互相分离：b o r s t 和 r o t s ”1 1 3 3 1 分别对裂纹分离模型进行了改进，提出网格自适应方法和边界单元方 法：b l a n d f o r d ”i 发展了边界元法，用来计算准静态和疲劳裂纹扩展。 国内学者在数值分析方面也做了大量的研究。大连理工大学的赵国藩、徐 世娘教授、同济大学的吴科如教授、河海大学的徐道远教授、水利部中南勘测设 计研究院的涂传林高级工程师、海南大学的尹双增教授、水利水电科学研究院的 于骁中高级工程师等在岩石、混凝土断裂力学以及工程应用方面取得了诸多新成 果；吴胜兴l 提出了基于最大拉应力准则的混凝土裂缝开展宽度计算的有限单元 法；张天宝嗍针对飞龙拱坝裂缝、漏水病害提出了应力重分布定点分析方法，对 拱坝应力控制部位不断进行应力计算；巫昌海p 1 等基于应变分解法推导了混凝土 三维非正交弥散裂缝模型的基本公式。该模型可用于混凝土结构的开裂分析，分 析结构从加载到破坏的全过程特性；杨清平i 勰1 等应用有限单元法，计算了多种工 况下的重力坝的应力，探讨了重力坝坝踵主拉应力区的范围和应力分布规律；徐 道远 3 9 1 等对故县和万家寨二座重力坝的8 5 条裂缝作了统计，对其中2 7 条裂缝的 稳定性进行了断裂力学计算，用缝端扩展安全系数n 作定量描述，得出了一些规 律性的结论；陈祖坪1 4 0 1 综述了拱坝强度裂缝的定量研究，拱坝分位移法、线弹性 和非线弹性三维实体有限单元法进行拱坝裂缝随机追踪的框图，给出了按线弹性 三维实体有限元法进行拱坝裂缝产状随机追踪的框图以及指定裂缝位置，按线弹 性三维实体有限元法进行裂缝定量分析的框图；栾茂田f 4 1 将非连续变形计算力学 4 第一章绪论 模型及其数值分析方法应用于有缝重力坝的静态应力与变形分析，为判断坝体缝 隙的工作状态与赛面应力提供了可能的途径。任青文1 4 2 1 等以小湾为对象，采用建 立在非线性数值分析基础上的变形体稳定性分析方法和地质力学模型试验，对沿 建基面的整体安全度进行了研究；杨卫【4 3 1 探索用纳米尺度的力学分析方法分析裂 缝和强度，用原子镶嵌模型和分子动力学原理模拟裂纹尖端附近的纳观区行为； 杜效鹄1 4 4 1 等在有限元富集技术中引入粘结裂纹模型反映预制缝重力坝模型的承 载特性和破坏过程，得到与试验结果一致的荷载响应曲线和裂纹扩展路径。 在裂缝模拟方面，国内外学者对混凝土断裂过程中存在缓慢裂缝生长以及裂 缝尖端出现微开裂的现象进行了大量的分析研究，先后提出了多种不同的断裂模 型，对裂缝的研究做出了重大贡献。h i l l e r b o r g 等提出的虚拟裂缝模型( f c m 尸1 突破经典线弹性断裂力学的某些基本概念，利用断裂过程材料的软化特性来描述 混凝土的裂缝扩展过程：离散裂缝模型( d i s c r e t ec r a c k i n gm o d e l ) 把裂缝作为单 元边界处的间隙，当相邻单元的混凝土达到开裂条件后，将共同点断开，把原来 的一个结点变为两个结点，并在裂缝两边的混凝土单元引入各自的结点。 r a s h i d l 4 6 提出的弥散裂缝模型( s m e a r e dc r a c k i n gm o d e l ) 以分布的裂缝来代替单 独的裂缝，在力学上模拟裂缝的作用，即假定材料出现裂缝后仍然采用连续体介 质力学的方法来处理，假定某一单元内的应力( 实质上是某一代表点的应力) 超 过了允许开裂的应力后，则认为整个单元开裂。b a z a n t 和o h 提出的裂缝带模型 ( c b m ) 1 4 7 j 断裂过程区模拟成一个钝化裂缝带，用一条包含密集、平行裂缝的带来 模拟实际裂缝和断裂区，该模型吸取了弥散裂缝模型不需要重新划分网格就能自 动生成裂缝，且裂缝方向不受网格划分的限制，可在任意方向产生和扩展等的优 点，采用能量释放率或断裂韧度作为断裂准则，克服了计算精度受单元尺寸大小 影响的缺点。嵌入不连续模型将不连续位移或应变嵌入到常规有限元中，以变分 原理为基础，将不连续位移或应交以非协调的形式嵌入到位移场或应变场中，可 以“嵌入”非协调位移或应变到有限元公式中从而得到相应的有限元计算公式， 裂缝扩展后不需要重新剖分网格，适合解决裂缝未知的情况，减少有限元计算工 作量，是目前比较流行的对裂缝的处理方法。此外还有j e n q 和s h a h 提出的双 参数模型( t p m ) t 删、b a z a n t 和k a z e m i n 等提出的尺寸效应模型( s e m ) i d g j 、 k f l $ i h a l o o 和n a l l t h a m b i 提出的等效裂缝模型( e c m ) t 5 0 i 等。 1 2 2 基于实测资料的裂缝性态及影响分析 实测资料包括检测资料和检测资料两个方面，其中裂缝的现场检测信息主要 有目测检查和仪器检测两种资料；监测资料通过埋设裂缝计、测缝计测得的数据 河海大学硕士学位论文 获得。资料的分析评价方面主要采用概率统计分析、模糊数学以及神经网络，分 形理论，混沌理论等进行定量和定性分析。 大坝和裂缝检测资料的分析早期主要采用统计分析方法。其中大坝变形观测 资料分析方面，意大利的法那林( f a n e l i ) 和葡萄牙的罗卡( r o e h a ) 等1 5 1 1 人从 1 9 5 5 年开始应用统计回归方法来定量分析大坝的变形观测；2 0 世纪7 0 年代，在 河海大学陈久宇【5 2 l 教授的创导下开始原型观测资料的统计回归分析；8 0 年代中 期，吴中如”等从徐变理论出发，用周期函数表示时效位移分量，并用非线性最 小二乘法进行参数估计；李珍照咖等运用模糊数学进行资料分析；吴中如、顾冲 时【5 ，1 等通过弓l 入空闻三维坐标，提出混凝土坝空间位移场的时空分布模型，将单 测点模型拓宽至空间三维。在裂缝观测资料定性和定量分析方面，吴中如嗍等提 出裂缝开合度统计模型和混合模型的建立和分析方法；刘成栋、郑东健p 1 应用非 平稳时间序列法分析裂缝实测资料；苏怀智【5 8 1 首次将粗集理论应用于大坝病变自 适应分析诊断中，从知识发现的角度，完成了从实例和原型监测数据中挖掘大坝 病害的潜在病因的目标。易顺刚跏根据分形理论，系统地研究了在三轴压缩条 件下三峡坝基岩石破裂系和破损物的分形结构，得出了分维可作为描述岩石脆性 断裂的定量参数的结论；周晓贤l 明提出了用灰关联度较大的显著变量建立较优 g m ( 1 , n ) 模型的方法，应用于大坝安全监控领域，实例表面较优g m ( 1 如模型的 精度比逐步回归模型要高；徐晖1 6 1 i 、刘国华1 6 2 1 、向衍g o l 等对大坝的监测资料序列 建立灰色关联度的g m ( 1 , n ) 状态模型，拟合及预测精度亦较高。以监测资料为依 据，开展计算模型、计算参数和计算工况的反分析方面，葡萄牙国力土木工程研 究院州利用施工期间浇筑混凝土的温度观测资料，反馈温控设计和控制接缝灌浆 的时间，对大坝实际运行有一定的指导意义。陈久字、杨代泉1 6 5 1 1 “1 用有效指数法 和传递荷载指数法，反馈了大坝横缝的实际传递荷载的能力，利用确定性统计学 模型，结合实测资料，反馈纵缝的实际结构作用。顾冲时蜊利用原型观测资料， 应用可靠度理论和有限元法相结合，在复核大坝及岩基实际安全度的基础上，提 出反馈大坝及岩基实际运行荷载的计算方法。李雪红【馥1 应用断裂力学理论和概率 分析法反演分析混凝土的断裂韧度，并建立反映荷载组合与应力强度因子之问关 系的神经网络模型，反馈分析裂缝的转异荷载。顾冲时1 6 9 1 研究并提出了运行期带 缝混凝土坝馈控运行荷载的方法，推导了其计算控制荷载的公式，研制了相应的 分析程序，同时建立了判别裂缝再生和扩展的数学模型。b o n a l d i 、f a n a l l i 和 g i u s e p p t t i 等p o l l 7 1 1 p 2 1 1 7 3 】人提出了有明显物理概念的确定性模型，并以此来反演坝 体的弹性模量和温线膨胀系，在大坝的反分析中期了积极的作用：n s h i m i z u 和 s s a k u r a i 7 4 i p 5 i 7 6 1 提出边界元位移反分析方法；沈家荫、林炳仕m 垮研究位移观测 资料反演分析的边界元法；沈振中【7 。j 在单纯形法的基础上，通过动态约束搜索误 6 第一章绪论 差，研究参数反分析的可变容差；吴中如、顾冲时 7 9 j 等研究了位移时空模型、模 糊数学方法反演分析方法；包腾飞等提出了采用四层神经网络计算应力强度因 子的解决途径，利用混沌优化算法对四层神经网络进行了改进，应用实例对其改 进效果进行了检验，通过实例分析表明四层优化神经网络计算的应力强度因子接 近于用断裂力学有限元计算的应力强度因子。 检测资料的定性和定量分析方面，赵鹏飞【| 1 1 等根据钢筋混凝土构件耐久性 评估的特点，借助于模糊数学的手段，提出了一种耐久性分级评定方法，多元隶 属函数法的引入减少了主观因素对评定结果的影响。孙静嘲采用模糊综合评判法 对已有建筑物混凝土结构进行定性、定量分析，试探性地建立了模糊综合评判模 型。并且基于v i s u a lb a s i c 程序语言开发了建筑物混凝土结构的评估系统。宋大 炜删在总结目前国内外关于桥梁评估的主要方法的基础上，根据层次析法建立混 凝土拱桥工作状态评估的详细模型，结合现有资料及相关规范提出桥梁各底层指 标的评估等级向量的确定方法，运用多级模糊综合评判原理对混凝土拱桥工作状 态进行综合评估，从而得到桥梁整体工作状态的评估等级及各主要结构的评估等 级。李雪红f “l 在大量收集与裂缝产生的相关资料基础上，应用故障树和粗集理论， 挖掘重大水工混凝土结构裂缝的主要成因，为裂缝的成因分析提供了一条较好的 思路。近年来，可拓理论被尝试引入岩体边坡整体评估f “、岩体质量评估删、大 坝老化【明等领域。 1 3 问题的提出 人们常常把裂缝的存在及扩展视为结构物濒临破坏的危险征兆。美国的工 程师们在1 9 2 3 1 9 3 3 年，对s t e v e r s o n c r e c k 拱坝下游面裂缝研究的总结中对开裂 的影响做出了“对拱坝的工作性能和安全运行并无重大影响”的定性判断，同时 也留给我们一个“在什么条件下允许出现和发展到什么程度下才不致影响安全” 的定量问题亟待解决。混凝土的裂缝问题被1 9 8 5 年举行的第十五届国际大坝会 议列为四大议题之一，r o b e r te p h i l l e o t m 提出“结构出现裂缝的严重性如何评 估，有必要的话，裂缝又如何处理”这一值得关注和讨论的问题，故裂缝对混凝 土坝的危害性评价有待深入的研究。 ( 1 ) 混凝土坝裂缝的危害性评价一般针对具体工程，结合设计、施工、运 行等相关资料以及专家经验，应用试验和数值模拟方法进行分析研究。对于运行 期工程，如何根据现场裂缝检测和监测资料，提取特征量，分析裂缝的危害性， 以及这种局部损伤对大坝整体结构性态的影响，是监控工程安全迫切需要研究和 解决的问题。由于裂缝形式多样，有必要根据裂缝特征进行分类，通过对各类裂 7 河海大学硕士学位论文 缝的影响因素和危害特点的分析，评价裂缝的危害等级。 ( 2 ) 裂缝的危害性与裂缝是否再生和扩展有关，在数值分析的基础上，结 合实测资料研究裂缝的稳定性及其对大坝承载能力的影响，是裂缝危害性评价的 重要方面。 ( 3 ) 许多大坝都存在裂缝，裂缝出现至何种程度才会影响大坝的整体安全 性是目前亟待解决的课题。由结构动力学可知，振动是结构完整性的灵敏显示器， 结构的损伤必然引起结构响应的变化，进而引起结构试验获取的模态参数的变 化。最简单最普通的损伤影响刚度的降低，引起一些或全部模态频率的降低； 何宗成1 9 0 ! 在研究中证实，加载后大坝的各阶固有频率都会明显下降，而且随着所 加荷载的增大，裂缝的加深。各阶固有频率下降的程度也随着增加，因此可通过 自振频率的变化分析裂缝对大坝整体性的影响。 ( 4 ) 大坝局部损伤至大坝整体失事破坏，可通过反映大坝系统的整体量如 能量来表征，因此可以通过研究不同裂缝状态下大坝整体或局部破坏系统的能量 变化反映来裂缝对大坝系统整体的影响。 ( 5 ) 近些年来，随着计算机技术的不断发展，可拓、小波、突变等数学理 论以及数值计算和仿真分析得到了快速发展，被迅速应用于各个领域，成为工程 计算和分析的有力工具，将其应用于裂缝对混凝土坝裂缝的危害性问题的分析越 来越受到人们的重视。 t 4 本文的主要工作及技术路线 混凝土坝裂缝的危害性评估是大坝安全分析的热点问题，对于降低裂缝带来 的损害和风险具有重要意义。本文结合国家自然科学重点基金项目，雅砻江水电 开发联合基金( 5 0 5 3 9 0 3 0 ) “复杂条件下高拱坝的失效破坏机理和安全评估”项 目以及国家自然科学基金重点项目“现代水工大体积混凝土裂缝机理与控制” ( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) ，在有限元数值分析的基础上，结合实测资料，对混凝土坝宏观裂缝 的危害性分析方法进行了研究。具体研究内容及技术路线如下： ( 1 ) 通过深入研究裂缝属性特征和影响因素，分析了裂缝的工程分类标准 及其对大坝强度、稳定、耐久性和安全性的影响，构建了裂缝的危害性评价体系， 提出了裂缝危害性的轻微、一般、严重以及特严重的四等级划分法。 ( 2 ) 研究了基于可拓理论的裂缝危害程度等级划分法，建立了裂缝危害性 多参数综合评价的物元模型，用关联函数及关联度分析了裂缝的危害性及其危害 程度属性。 第一章绪论 ( 3 ) 通过深入分析裂缝实测资料的特点，应用小波分析理论提取裂缝的时 效分量，采用尖点突变理论判剐裂缝的失稳扩展特征，用应力强度因子来判别裂 缝的稳定性。 ( 4 ) 利用a b a q u s s t a a d a r d 提供的u m a t 接口，基于o t t o s e n 的混凝土四 参数屈服准则进行了二次开发。 ( 5 ) 研究了融合接触算法的双节点单元的裂缝模型，建立了整体无缝和带 有水平、竖直以及水平和竖直裂缝的四种混凝土坝模型，研究了不同局部损伤对 大坝承载能力的影响。 ( 6 ) 基于a b a q u s 提供的子空间迭代法，研究了带缝混凝土坝自振频率的 计算分析方法，分析了不同局部损伤对大坝结构自振频率和总变形能的敏感性， 提出了基于自振频率的混凝土坝裂缝危害性评价方法，分析了局部损伤裂缝对大 坝结构总变形能的影响规律。 本文的主要研究内容如图1 4 1 所示： 混凝土坝裂缝危害性评价方法研究 第二 基于裂缝工程分类的 危害性等级可拓评价 裂 缝 危 害 性 评 价 体 系 的 构 建 裂影危 缝响害 特因特 征素性 裂 缝 危 害 性 等 级 的 可 拓 评 价 可 拓 理 论 第三章上第四章 裂缝的稳定性与 带缝坝的承载能力分析 裂 缝 的 稳 定 性 分 析 小突断 波变裂 理理力 论论学 水 位 超 载 裂缝对大埂整体性的影响 图1 4 1 本文主要研究内容结构图 9 自的 振提 频取 塞 位变 移形 场能 变变 化化 裂缝对坝体整体稳定性的影响 裂缝对刚度和整体性的影响分析缝对大坝承载能力的影响分析 河海大学硕士学位论文 第二章基于裂缝工程分类的危害性等级可拓评价 2 概述 大坝在失效的前期，会出现一些病害，产生一些征兆，其中裂缝是最常见的 病害之一，这些裂缝大部分出现在坝体的表面，并且呈渐近式发展或破坏，部分 最终形成深层裂缝或贯穿裂缝，若没有及时采取有效的措施进行控制和补救，将 不断扩展失稳导致坝体的最终失效。由于大坝及基岩工作条件复杂，荷载、计算 参数、计算模型等的差异性，并且存在对大坝结构造成影响的诸多因素( 如实际 的基础情况、地震强度、超设计洪水，恶劣的运行环境等) 的差异，这就使得裂 缝这一重大安全隐患对结构的危害性难以做出统一、合理、及时的评价。根据裂 缝检查和检测资料，分析裂缝的属性特征及其发展情况，并结合原型监测资料， 开展对裂缝的危害性以及对结构运行状态影响的研究，对于确保大坝的长期安全 运行具有非常重要的意义。本章主要根据裂缝的检查和检测信息，分析裂缝的属 性特征和影响因素，研究构建了裂缝危害性评价体系，基于可拓理论中的关联函 数和关联度，研究了裂缝的危害性等级的评价方法。 2 1 1 混凝土坝裂缝的检测 裂缝普查包括表面缝宽、缝长、走向、所在部位及其形态随时间、气温和干 湿环境的变化等。裂缝检测方法主要为：肉眼观察、普通工具常规检测、专门重 点检测和仪器检测等。尽管重大水工混凝土结构埋设了大量的监测仪器，但由于 裂缝发生位置难以确定，只有少数监测仪器能布设在开裂部位，故带有一定的局 限性，重大水工混凝土结构的各种异常现象不一定都能观测到，因此有必要进行 定期的人工巡查首先对裂缝表面特征普查，主要是裂缝所在部位、走向、表面 缝宽、缝长、形态变化等，检测方法以人工目测进行现场普查为主，所用工具比 较简单，有米尺、读数放大镜、塞尺等：再对重点裂缝缝深检测，方法有凿槽法、 钻孔压水法、瑞利波法、地震c t 法、超声波法等。 2 1 2 混凝土坝裂缝的分类 ( 1 ) 按产生原因分类 混凝土是多相复合体脆性材料，当它的拉应力大于抗拉强度，或拉伸变形 1 0 第二章基于裂缝工程分类的危害性等级可拓评价 大于极限拉伸变形时，就会产生裂缝。大坝裂缝按产生原因分类，可分为温度裂 缝、干缩裂缝、超载裂缝、碱骨科反应裂缝、地基不均匀沉陷裂缝等。表2 - 1 1 列举了水工混凝土结构物的几种常见裂缝的特征1 9 ”。 表2 1 1 裂缝的分类及其特征 分类特征 1 裂缝属于贯穿性的，其走向般与沉陷走向一致； 2 裂缝宽度受温度变化影响较小； 3 对于大体积混凝土，较小的不均匀沉陷引起的裂缝一般看不出错距；对于较大 沉陷缝 的不均匀沉陷引起的裂缝则常有错距； 4 对于轻型薄壁结构往往有较大的错距混凝土受剪拉破坏，破裂面上骨料受摩 擦有错动破损。如涵管、坝下埋管； 1 在非同约束条下，裂缝走向与约柬条件有关，浇筑在基岩或一期混凝土上的底 干缩缝 板或侧墙易发生垂直于长度方向的干缩裂缝； 1 由于裂缝产生的原因不同，可分为表层、深层或贯穿裂缝、表层裂缝一般没有 规律性； 温度缝 2 裂缝开度大小不一，但每一条裂缝沿长度方向没有大的变化； 3 裂缝宽度受气温变化的影响，气温高，宽度小，反之则大； 1 裂缝属于深层或贯穿性的，走向基本上与主拉应力方向垂直； 2 裂缝宽度一般较大，且沿长度或深度方向有显著变化，由较宽一端向较细一段 应力缝 伸展： 3 缝宽受气温变化的影响较小； i 裂缝属于深层或贯穿性的，走向和工作缝面一致； 施工缝 2 竖直施工缝开裂较大( 一般 o 5 r a m ) ；水平施工缝一般宽度较小 ( 2 ) 按裂缝深度分类 大体积混凝土内出现的裂缝，按其深度不同，一般可分为贯穿裂缝，深层裂 缝以及表面裂缝三种，见图2 - i 1 。 ( a ) 贯穿裂缝( b ) 深层裂缝( c ) 表面裂缝 图2 - 1 1 裂缝种类示意图 贯穿裂缝指延伸至整个结构面，将结构分离，严重影响和破坏结构的整体性 和防渗性的裂缝，切断了结构断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害性 河海大学硕士学位论文 是比较严重的；深层裂缝指开裂深度较浅的裂缝，部分地切断了结构断面，也有 一定危害性，能够影响结构的安全；表面裂缝主要指混凝土表面的龟裂，一般深 度小于o ，5 m m ，危害性较小，但处于基础或老混凝土约束范围以内的表面裂缝， 在内部混凝土降温过程中，可能发展为贯穿裂缝。 水工大体积混凝土的裂缝往往具有如下特点； ( 1 ) 任意性和密集性，即它们的方向、位置和大小等随结构的不同而变化； ( 2 ) 危害的多样性，如从结构应力的观点看，裂缝削弱了各部分之间的联系和 刚度，可能引起有害的应力分布而导致失事，而从耐久性的角度看。渗水可通过 裂缝导致混凝土碳化、碱骨料反应和磨损，减少建筑物的寿命。 2 2 混凝土裂缝危害性评价体系的构建 根据工程检测结