地震作用下混凝土重力坝破坏过程和破坏形态数值仿真.pdfVIP

水 利 学 报 2011 年10月 SHUILI XUEBAO 第42 卷 第10期 文章编号：0559-9350（2011 ）10-1209-09 地震作用下混凝土重力坝破坏过程与破坏形态数值仿真 李晓燕，钟 红，林 皋 （大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024） 摘要：在考虑混凝土材料细观非均匀性影响的基础上，探讨了在材料参数和地震动等不确定性因素影响下混凝土 重力坝的破坏过程和破坏形态。通过对金安桥混凝土重力坝的180个样本的非线性数值模拟统计分析，得到了不 同水平地震作用下的大坝损伤破坏情况，并提炼出4 种典型的破坏形态。计算结果表明随着地震动的增大，大坝 损伤总体上趋于严重，但也存在高地震动水平下轻微损伤的情况。典型的破坏形态除了坝头折断、坝踵开裂以 外，还发现了下游面起裂、贯穿至上游的情况，且随着地震峰值加速度的增大而越发明显。这对于全面了解重力 坝地震损伤的薄弱环节，优化抗震措施提高大坝抗震能力是十分有意义的。 关键词：混凝土重力坝；非均匀性影响；破坏过程；破坏形态；数值模拟 中图分类号：TV312 文献标识码：A 1 研究背景 重力坝由于结构简单、安全可靠、对地形地质条件适应能力强、枢纽泄洪问题容易解决和便于 施工导流等特点，成为被广泛采用的坝型。近期我国正在建设及即将建设的高大重力坝大多建在地 震高发区，如金安桥（设计地震加速度0.399g ）、龙开口（0.394g ）、阿海（0.344g ）等，因此，大坝的抗 震安全是必须解决的关键技术问题之一。传统的基于线弹性分析的设计方法无法满足大坝在强地震 作用下的安全性能评估的要求，研究重力坝的地震破坏过程和最终的破坏形态，可以使抗震安全评 价工作更为全面可靠，对于大坝的设计优化和抗震加固决策具有重要意义。 重力坝遭受实际震害的资料很少，最为典型的是印度的Koyna 重力坝。1967年，在距大坝2.4km 处发生6.5 级强震，实测坝基加速度为：坝轴向0.63g ，顺河向0.49g ，竖直向0.34g 。地震使得大坝头 部转折处出现了严重的水平裂缝，漏水现象严重。此后，以Koyna 大坝为例，有关混凝土重力坝地震 响应的研究发展很快。这些工作大致可以分为两类：一类是采用连续介质力学方法研究大坝的渐进 ［1］ 损伤过程。比如Yusuf Calayir 等 采用损伤力学方法，假定损伤为二阶张量的形式，并考虑应变软 ［2 ］ 化，研究了损伤对Koyna 坝地震响应的影响；Mirzabozorg 等 用弥散裂纹模型对混凝土重力坝进行了 ［3 ］ 动力损伤分析，获得了裂缝在坝体内的发展情况；邱战洪等 考虑了坝基脆性引起的动力损伤，分析 ［4 ］ 了大坝上游迎水面、坝踵、坝趾附近基岩内的损伤分布；Yazdchi 等 采用有限元-边界元耦合方法研 ［5 ］ 究了Koyna 大坝在地震激励下的损伤发展；王光纶等 采用固定裂缝模型，通过裂尖的网格重剖分使 ［6 ］ 得裂纹平行于单元最大主应力方向，模拟了Koyna 大坝裂纹的扩展过程；沈怀至等 在线弹性动力分 析与弹塑性损伤力学分析基础上，讨论了6 条地震波作用下Koyna 重力坝的损伤分布，初步建立了一 个重力坝地震破坏评价模型。另一类是采用非连续方法研究大坝的动力响应和裂纹扩展。Pekau 等［7 ］ 应用离散元方法模拟了Koyna 大坝的破坏过程，并分析了不同裂缝方向角度对坝体安全的影响；林皋 ［8］ 等 在改进DDA 三维接触判断算法的基础上，研究了Koyna 大坝头部和三维