沙牌碾压混凝土拱坝破坏机制研究与结构可靠度分析

1、沙牌碾压混凝土拱坝破坏机制研究与结构可靠度分析摘 要：本文针对沙牌碾压混凝土拱坝含诱导缝的结构特点，应用光纤传感监测技 术、断裂力学理论、优化方法以及人工神经网络理论等，采用结构模型破坏试验和结构 可靠度分析方法，对沙牌碾压混凝土拱坝的开裂破坏机制和失效可能性进行了研究，得 到了碾压混凝土的断裂力学参数、拱坝的开裂破坏机制以及坝体和诱导缝的可靠度指标。关键词：碾压混凝土拱坝；诱导缝；光纤传感；人工神经网络；破坏机制；结构可 靠度一、概述碾压混凝土筑坝技术具冇池工速度快、机械化程度高、筑坝材料省等特征，快速、 经济是其优势，因而得到了大力的发展。第20屈国际大坝会议将它列为最近最有前途和 发展最

2、快的三种坝型z工。目前在建的沙牌碾压混凝土拱坝是世界上最高的碾压混凝土 拱坝。它位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县草坡河上。该枢纽由碾压混凝土拱坝、 泄洪隧洞、引水发电隧洞及水电站等组成。水库正常高水位1866. 0m,总库容0.18亿代。 电站总装机3. 6万kw,年发电量为1. 79亿kwh0碾压混凝土拱坝的体形为三心圆单曲图1沙牌碾压混凝土拱坝体形及拱冠梁剖而图拱坝，最大坝高132. 0m,坝顶厚9. 5m,坝底厚28. 0m,下设高14. 5m、长44. 0m的混凝 土垫座，上游坝面下部倒悬度0. 12,下游坝面为折线。弧高比2. 13,厚高比0.238,最 大中心角92. 48

3、9;,坝体混凝土总量约39. 3万ni其体形图及拱冠梁剖而图见图1所示。人坝采用全断面通仓碾压的施工方法，上升速度快，混凝土水化热來不及散发，坝体混凝土在施工期和运行期冷却到稳定温度场的过程屮将产生拉应力并可能导致坝体裂 缝。为了防止坝体产生无规律的裂缝，确保人坝安全运行，沙牌拱坝在坝体上设置诱导 缝。诱导缝采用双向间断的布置形式，是不完全切断坝体的不连续的间断缝，诱导缝形 成后，将成为坝体结构的软弱血，以诱导温度收缩缝在预想部位发生，然麻对其拉裂缝 进行灌浆，以保持大坝的整体性。可是设置诱导缝后，坝体开裂是否会在预想的部位发 生？坝体的破坏形态和破坏机制又会怎样？坝体和诱导缝开裂失效的可能性

4、又如何？这 些都是工程上所关心的焦点问题，需要科学合理地分析研究。当前国内外对此的研究手段仍然是物理模型试验和数值模拟。本研究以“八五”科 技攻关成果为基础，在“九五”科技攻关中作进一步研究巴 通过结构模型破坏试验和 可靠度分析，并应用了光纤传感监测技术、断裂力学理论、优化方法、人工神经网络理 论筹來分析论证了沙牌碾压混凝土拱坝的破坏机制及结构开裂失效的可能性。二、碾压混凝土断裂试验1、试验的目的和内容要硏究碾压混凝土拱坝的开裂和破坏机制，必须了解碾压混凝土的断裂特性。并为后续研究提供合理可行的力学参数。结合“九五”科技攻关对沙牌碾压混凝土进行了如 下材料试验:开度a (mm)图2荷载与加载点

5、位移关系曲线（p-曲线）三点弯曲试验，测定型断裂韧度g和断裂能g：,量测荷载力懺点位移曲线（即pz图3荷载与开度关系曲线（p-coi）曲线） 该仪器的八个涮试诵道能精确甘询ii试八o_1_11_1110. 000. 501.001.50剪切位移（mm） 图4荷载与剪切位移曲线（双面剪）(nh)h嶽腥3 7 2 020o11o0.001.002.003. 001. 00剪切位移（mm）图5荷载与剪切位移曲线（直剪）0.9445kn/ch严，断裂能gf为106.26149.07n/m,平均值为129.00n/m。试件破坏吋沿 缝面开裂，即开裂扩展如度为0爲需要说明的是，该试验结杲未考虑试件尺寸效应

6、的影 响，有研究表明，混凝土的断裂力学性能打试件的尺寸有关，在一定的范围内试件的尺 寸越人得到的断裂力学参数值就越人，所以木试验的结果应用于大体积混凝土时必须作 定的放大处理。三、结构模型破坏试验研究模型试验能模拟复杂的结构和边界条件，而且破坏试验还可以直观地反映结构的破 坏过程及破坏形态。模型试验方法一直是研究水工结构特性和破坏机理的重要方法z。 针对沙牌工程特点，采用三维物理模型试验对含诱导缝的沙牌碾压混凝土拱坝结构特性 及开裂破坏机制展开分析。其中着重探索一种比较适用的方法模拟诱导缝，以为以后的 类似工程提供参考。断裂力学的引入为本次探索提供了强人的理论工具。对结构的监测 除了采用传统的

7、位移、应变监测手段外，还探索了一种新的监测方法光纤传感监测 技术。1、模型设计根据结构模型试验的相似要求，原型为模型zi'可应满足几何相似、荷载强度相似、 弹性模量e相似和泊桑比卩相似以及边界条件相似等。山于本研究的坝体结构特性及超 载开裂破坏机制，首先耍分析坝体的应力及变形特性，加于线弹性问题，应按线弹性模 型的相似条件设计，即要求满足：ca/cxcl = 1c°/ce=1c(1)q/cl = icp=cp.ct式中cl、c。、ce、c§、cq c&、cp、cp分别为原型与模型的几何比、 应力比、变模比、位移比、体积力比、泊桑比比、应变比、水压力合力比、水

8、压力密度 比。根据试验的场地、仪器的竝测精度，以及所采用的模型材料的特性等方面选定几何 比cl=i50弹模比ce=6. 1 o根据开挖后坝址区的地质、地形条件、枢纽布置特点及研究 的重点要求，并保证试验过程屮不致因边界约束影响坝体及坝肩的破坏形态的真实性为 限，模型模拟的平面范i罚相当于原型的30()x400m2 (纵向x横向)。模型底部高程1660米，即模型基底至垫座底部54cm （原型80米），已超过2/3倍坝高。因此，模型的模拟 范用足以满足结构模型破坏试验的要求。由于沙牌拱坝设有两条诱导缝，在坝体屮形成了人工弱面，它的开裂条件发生了变 化，因此拱坝除了考虑常规的相似外，还应考虑开裂相似

9、模拟。为了找到相似条件，根据原型诱导缝的构造情况（诱导缝型式采用多孔混凝土诱导 成缝板，呈双向间断、缝长与间距不等布置，即沿水平径向缝长1.0m,间距0.5m,沿高 程方向缝长0.3m、m 0.6m）我们将诱导缝简化为：一组等缝长、等间距裂纹受止应力 。的作用的力学模型，其应力强度因子：(2)根据断裂力学理论将诱导缝视为方向一定的宏观裂缝，具开裂条件为:(3)k , = k ic （应力强度因子等于断裂韧度）于是有原、模型诱导缝的开裂相似比为: 则模型诱导缝开裂相似简图如图6所示。在同时满足抗的强度相似的条件下，最终可以 确定模型上诱导缝的尺寸为2am=4cm, 2bm=12cmo模型坝体诱导

10、缝布置简图如图7所示。彳部两预册缝中心缈胡预留缝长度i划a 漆口给ti3u畑仆必4斤佟i 7 模型坝体诱9缝布2、光纤传感监测模型荷载考虑包括正常工况下的水压力、淤沙压力以及温度当量荷载，由于在石膏 材料制作的拱坝模型上施加竖向荷载难度较大，因而坝体口重耒予施加。而口重的影响 在随机可靠度分析计算中进行分析。这些荷载按照一定的方式加到坝体上按两种方式进 行测试。其一：传统的测试方式即在坝体典型位置测试位移和应变；其二：光纤传感监 测以捕捉随机裂缝及初裂的起始荷载和初裂的位宣。在工程结构安全监测中，光纤传感检测处于关键的地位，近年在国际上受到高度重 视，竞相大力开发,并已开始应用于桥梁（徳、奥）

11、、混凝土坝（德、美），多层建筑（美、 加）等。光纤传感应川于混凝土建筑物原型观测，比之传统技术具有小巧、柔软、灵敏 度高、抗电磁干扰等优点，且易于与光纤传输共同构成自动化遥测系统，因而光纤传感 检测技术在混凝土结构的实验研究和工程结构安全监测中具有广阔的应用前景。在水工结构模型试验屮，尤其是混凝土坝的结构模型破坏试验，为探讨坝体结构的 承载能力和破坏形态，一般多采用石膏材料进行。这是因为石膏与混凝土受拉受压的应 力应变曲线以及破坏形态均比较相似，同时这两种材料在断裂力学性能匕具冇很好的相 似性，所以一般采用石膏材料进行混凝土坝的破坏试验研究。但是石膏模型试验冃前一 般釆用应变监测、位移监测以及

12、声发射监测等手段，这些传统的测试方法有一定的局限, 它只能监测某些需要测定的点，而对模型开裂破坏屮随机裂缝的捕捉比较困难，如果能 将光纤传感检测技术应用于石膏模型试验中，同时再与常规测试方法相互配合，这一问 题将在很大程度上得到改善。然而将该项技术应川于石膏模型试验研究，目前国内外还未见这方面的报导。结合 该项攻关课题的研究，我们进行了这方而的探索，其冃的是研究光纤传感检测技术应用 于石膏模型试验中的可行性，并对沙牌拱坝模型进行裂缝监测的光纤传感试验，了解其 监测效果。在工程结构裂缝传感研究中，利用力学机制使结构中某一裂缝形成光纤局部弯曲， 利用光时域反射（otdr）技术，对裂缝引起的光功率弯

13、曲损耗进行检测，从而达到传感 裂缝的口的ootdr的光学原理是：当光沿光纤传播时，其信息载体是后向瑞利（rayleige） 散射，从而发生光的损耗，阳这部分光沿光纤传播方向成180°的方向散射（后向散射光）, 沿光纤返回光源。把一个光脉冲信号输入一段光纤，然后检测返回的散射光强的变化，就可以确定光纤散射系数或衰减的空间变化，再考虑光波传输速度，即可确定光源到被 测点距离的信息，在传感应用中可实现分布式检测，其原理由图8所示。图8分布式光纤传感碇裂缝的光路和衰减曲线下图：衰减曲线5-混凝土 6-混凝土裂缝 7-光纤接头10-接头损耗11-裂缝损耗上图：光路布置1-脉冲光源 2-检测器3

14、-耦合4-光纤8-入射损耗 9-菲涅尔(fmsnel)反射z二距离p (z)二接收光强对数输出为了在结构开裂时使光纤产牛局部弯曲，国内已经探索出了斜交光纤裂缝传感技术。 人最的试验表明,该传感系统不仅能检测裂缝和滑移，而且具有分布试检测和定位功能, 斜交光纤系统初始感知缝宽0.15mm,分辩率0.03mm,动态范围9mm。根据斜交分布式传感机理，为使开裂时光纤产牛局部弯llll，设法使光纤与可能的裂 缝而相交成一定角度，因而采用波形布置。试验中采用专用高分子材料粘结，在拱圈下游面铺设光纤网络。3、试验成果分析3.02.52.01.51.0ip施点it:向直变-50-100-150图9跨缝片超载

15、系数与拱向应变关系曲线拱坝主应力结果：拱坝上游面拱端部位主要 受拉，拱冠部位受压。拱坝卜-游而拱端部位主耍 受压，拱冠部位受拉。1何坝体的开裂破坏过程是, 当荷载加至1.61.8倍荷载时，1790高程的跨缝 片超载系数与拱向m变的关系曲线出现明显转折 如图9所示,说明1790高程2#、3#诱导缝出现开 裂迹象，随示继续加载，当加载至2.6倍荷载时 坝体中下部出现裂缝，但坝体尚耒失去承载能力, 随着荷载的增加，裂缝向上扩展，当达到3.2时 坝体完全失去承载能力。坝体的超载安全系数为3.2。图10光纤布置及其裂缝交点示意图光纤在荷载增加至2.6倍荷载时，模型中下部开裂，此时，裂缝与光纤在c点处冇

16、-交点。当荷载增加至3.2倍荷载时，光纤的光波出现了较大的变化，光强衰减剧增，从 光纤的a端到b端捕捉到了两个事件点(如图10所示)。这与传统量测手段结果吻合。 这说明分布式光纤传感随机裂缝首次在石膏模型上获得成功，捕捉到了开裂荷载和开裂 位置，去涂覆层的光纤比未去涂覆层的光纤要敏感得多，而口研制的光纤与石膏专用粘 接材料效果比较理想。四、拱坝结构可靠度分析1、可靠度分析的意义和目的传统上，人们习惯以安全系数作为水利工程的评价指标，然而，安全系数只是一个 山确定信息得到的一个定值。它未考虑设计变量中的任何客观存在的变界性，也就是说, 它并未考虑客观事物存在的不确定性。从数学的角度來分类，工程中

17、的不确定因素可以分为3利门：随机性(random),模 糊性(fuzzy)以及未确知性(unascertainty)0前两类不确定性早己为人们所认识，而未 确知性是指山于信息、数据的不全血、不完整而导致的不确定性。目前工程中接触较多、 研究相対比较成熟的是工程的随机性问题(结构可靠度问题)。结构可靠度指的是结构或 构件在规定的时间内，在规定的条件卞完成预定功能的概率。而结构或构件的设计，应 使所设计的结构或构件在其使川期内，力求经济合理的前提下满足安全性、适川性和耐 久性，这就是结构的可靠性，它由结构可靠度或者可靠度指标b来度最。这种可靠性受 多方面因素的影响和制约，而它们在工程中往往表现出不

18、确定性，如荷载、材料参数、 儿何尺寸、计算模型等都在一定程度上是非确定量。所以提出了采用不确定性分析方法 可靠度分析法來分析这些随机性和非确定性，并以此來揭示坝体开裂失效的概率和最易开裂的部位，从而分析坝体开裂特性，同吋模型试验结果对比分析。2、可靠度分析方法由于拱坝是复杂的空间壳体结构，边界条件复杂，随机变量（水位、温度、混凝土 强度等）与功能函数的函数关系式无法显式表达，且具有多元性和非线性，其相对于各 随机变量的一阶偏导数更是不易求出。因此拱坝的强度可靠度分析一直是个难题。后來 曾有人提出了回归分析方法求拱坝上游水位与应力的关系式，取得了较好的效果。但该 法求出的功能函数一阶偏导数的计算

19、仍然很复杂，加z回归分析得出的函数吋期逼近效 果欠佳。因此探求一种高效率的解决问题的方法是必要的。经过长期的探索实践，提出了一种基于bp（backpropagation）人工神经网络（atificial neural network）的拱坝强度可靠度计算方法。神经网络是一个简单的系统方法，它能白动 调整其内部连接权向量去匹配输入与输出响应关系，是一种能模拟具有非线性输入与输 出关系的数学工具，可以充分利用已经积累的各种资料以非显示表达系统输入输 间极其复朵的关系。ku bp算法是神经网络算法中最有效、最活跃的方法z-o hecht nielsen r.曾经指出一个三层前向人工神经网络（ann）

20、就可以满足任何非线性拟和逼近 问题。ann釆用三层结构的bp网络来拟利非线性程度相当高且分布十分复杂的函数拟 和逼近问题从几何意义上来看，相当于根据稀疏的给定数据（样木）点恢复一个连续的 超1111面，在给定点处illi面的值满足样本值，推广相当于估计其间未知点的值。鉴于此，图11 bp人工神经网络三层结构示意图木文采用三层结构的bp网络（其基木 结构如图11所示）来拟和非线性程度 相当高且分布十分复杂的拱坝应力函 mr数。在建立极限状态方程时，首先应 确定破坏的定义，也就是说在什么情况 下称z为破坏及选取恰当的破坏准则。 对于混凝土、岩土类材料我们已经熟悉 的强度准则十分丰富（m-c准则，最

21、大主应力准则、d-p准则、tresca准则、mises准则等），对于拱坝究竟选取何种强度准则, 首钢工学院教授陈祖坪认为应考虑三方面的问题同： 拱坝上任一点的应力状态都是三维应力状态，因此混凝土上的单轴抗拉、抗压 和抗剪强度都不能描述拱坝上任一点的破坏强度，应当考虑那些涵盖了三向应 力的各种不同受力状态的强度准则； 由于我们研究的拱坝的随机破坏，应当注意强度准则的导数，因此强度准则的 方程与偏平面的交线及其子午线不应当存在奇点； 拱坝混凝土和基础岩石都不是拉压强度相等的材料。从满足上述三个条件的强度准则屮，经过比较选定了能较好适应拱坝的广义双剪强度理 论。当广义压缩吋：即6 w 6 +5吋 +

22、 a"九-6 +£(6+6)(5)当广义拉伸时：即中二空竺时 l + a= fet+6）+吟式屮：a 亠为等效抗拉和等效抗压强度，內,为第一、二、三主应力，以拉应力为正。又由于沙牌碾压混凝土拱坝的特殊性（含有诱导缝），因此其各部位的强度参数存在 羌异，分别建立坝体及诱导缝的破坏准则如下：1. 坝体fct - ftfee f c2. 诱导缝（£,/；为混凝土本体抗压、拉强度）0k/c2b(6)(7)(8)(9)(10)0 = f sin2 a + -cos2 a da图12可靠指标b与极限状态曲面关系图根据hasofer-lind的定义，可靠度指标0是正态坐标系中从

23、原点到极限状态曲面 的最短距离（以三个基本变最为例，其示意图如图12所示）。于是，求可靠度指标的问 题就转化为数学上的优化问题（求最小值问题），沙牌拱坝的可靠度求解可概化成如下优 化模型：x =兀1，兀2，心/（12）f(x) = min 0 =(nnz/ 、兀-%2'2(13)k f=1 丿z=l< 5, jst&（兀,兀2，,£）= 0（14）兀;< xt. < x"i = 1,2,., h它对以用冃前流行的日趋完善的复合形法来处理。复合形法就是指n维设计空间的可行域内有n+lwkw2n个顶点所构成的多而体。复合形法的基本思路来源于无约

24、束优化算法的单纯形法，其迭代过程是：在设计变量的 可行域内选取k个顶点作为初始复合形的顶点，比较这些顶点所对应的目标函数值，去 掉其屮目标函数值最人所对应的最坏点，而代之以最坏点的反射点（以复合形屮最坏点 之外的各点的中心为映射中心所得到的映射点）构成新的复合形。不断重复上述过程， 使复合形的位置越来越靠近最优点，迭代到收敛精度时，则取最后一个复合形中h标函 数值最小的点作为近似最优点。在本文的分析中“最优点”即为所求的可靠度指标3、可靠度分析结论根据以上原理和方法，编制了基于人工神经网络和复合形法的拱坝可靠度分析程序, 并通过了考题验证确定是町靠的。将其运用于沙牌拱坝町靠度分析中，在拱坝上下

25、游坝 而共计288个节点。经计算有以下结论： 拱端对靠度指标较小。 坝体中下部可靠度指标相对较小，上游坝而拱端和下游坝而拱冠山于承受较大 的拉应力，其可靠度指标相对较小； 在下游坝而诱导缝处可靠性指标普遍偏低。2诱导缝从1750高程1780高程各 结点的可靠性指标均小于0. 65,其失效概率也就均大于25. 87%。萨诱导缝从1750高程 1830高程的可靠性指标b也都小于2.0,其失效概率大于2.28%。最人的可达24%。从总 体上來看，它们的可靠度指标比坝面其它地方要小得多，这说明它们失效的可能性均人 于坝体其它部位。诱导缝起了很好的作用，它的设置是合理的。五、结论通过结构模型试验和可靠度

26、的分析得到如下结论：1、通过对沙牌三级配碾压混凝土进行的断裂特性试验研究，获得了碾压混凝土荷载 与挠度关系全过程111j线、荷载与开度关系全过程曲线和荷载与剪切位移关系全过程曲线, 以及断裂韧度诲和km与断裂能geo不仅为研究沙牌碾压混凝土拱坝的开裂和破坏机制 提供了基础资料，而且为类似工程提供了碾压混凝十的断裂特性参数。2、由超载破坏试验分析表明，坝体开裂破坏有以下特点：第一，坝体中下部最先开 裂，裂缝h下向上发展，1810m高程以下破坏较严重。第二，坝体破坏形态不对称，右半 拱破坏形态较左半拱严重。第三，2“和3诱导缝在1790m高程最先出现局部初裂，对释放 该部位的拉应力起到了明显的作用

27、，荷载增人后，3。诱导缝往下部开裂至坝基，往上部破 坏至1850m高程，从而限制了裂缝往左半拱扩展。2谒导缝屮下部有局部开裂。横缝出 现剪切破坏，在下部较为严重，车横缝底部出现剪切破坏。第四，坝体初裂超载系数1. 6 1.8 （模型试验未考虑自重情况），最终破坏超载系数为3.2。3、可靠度分析表明：拱端和坝体屮下部可靠度指标相对较小；下游坝面诱导缝处可 靠性指标普遍偏低；2”诱导缝从1750高程1780高程各结点的可靠性指标均小于0. 65, 其失效概率也就均大于25. 87%； 3s诱导缝从1750高程1830高程的可靠性指标b也都小 于2.0,其失效概率大于2.28%。最大的可达24%。4、本次模型试验研究，针对含诱导缝的碾压混凝土拱坝特点，在试验相似模拟屮，