空腹重力坝的断裂力学研究.docVIP

文章编号 :1002 - 5634 (2004) 02 - 0014 - 04 空腹重力坝的断裂力学研究 赵中极 , 冀晓东 (华北水利水电学院 ,河南 郑州 450011) 摘 要 :通过分析空腹重力坝坝踵应力的奇异性 ,提出采用断裂力学理论对空腹重力坝进行研究. 用有限元法 分析了空腹重力坝的腹孔面积 、腹孔位置和腹孔形状对坝踵裂缝尖端应力强度因子的影响 ,得出了空腹重力 坝的最优断面 ,对空腹重力坝的设计有重要的参考价值和指导意义 1 关 键 词 :空腹重力坝 ;断裂力学 ;应力强度因子 中图分类号 : TV 64213 + 2 ; TV 313 文献标识码 :A 随着我国水电工程建设的发展 ,大坝高度在不 断增加 ,电站装机容量也越来越大. 由于大江大河的 洪水流量一般较大 ,加之河谷相对狭窄 ,使得枢纽泄 洪建筑物和电站厂房布置的矛盾日益突出. 工程实践中 ,多在河床段设置溢流结构 ,而在枢 纽两岸山体中开挖洞室 ,形成地下厂房. 表 1 中列出 了我国若干大型水电站地下厂房的尺寸. 机械设备的锈蚀 ,给电站的运行 、维修和管理带来了 很多不便. 对空腹式重力坝来说 ,如把水轮发电机组及有 关的附属设备布置在腹孔内 ,不仅能大大减少大坝 的混凝土浇筑量 ,降低扬压力 ,也省去了开挖洞室的 工程量. 我国已经建成多座空腹坝 ,其中湖南凤滩水 电站 ,电站总装机 400 MW , 其电站厂房就设置在拱 坝的空腹内 ,长度为 14318 m ,宽 2015 m ,高 4011 m. 节省混凝土 10 余万 m3 ,而且由于厂房位于坝体内 , 引水管道短 , 发电水头损失小 , 工程量和造价也减 小 ,且运行管理方便. 从弹性力学分析 ,实体重力坝上游坝面与坝基 结合部位 ,即坝踵具有应力奇异性1 ,即在此部位容 易产生拉应力 ,进而会产生裂缝. 从重力坝破坏机理 的模型试验2 知 ,重力坝失事原因之一是由于坝踵 处裂缝的扩展造成的. 因此在重力坝设计中 ,控制坝 踵拉应力非常重要. 重力坝的弹性力学有限元计算 也证明 ,在水压力 、自重等荷载作用下 ,重力坝坝踵 区域存在着一定范围的拉应力区 ,而在坝体其他部 位呈现压应力. 如果不断加大单元密度 ,计算出来的 坝踵处拉应力也随之增大 ,因此用有限单元法难于 准确确定坝踵的应力. 对于空腹重力坝 ,由于坝体内有一个空腔 ,坝踵 的奇异性更强烈 ,所以对其??行了有限元计算. 坝踵 单元采用等边三角形 ,在计算中 ,不断减小单元边长 表 1 我国部分已建水电站地下厂房尺寸 地下厂房尺寸 长/ m ×宽/ m ×高/ m 装机容量 / MW 电站名 二 滩 小浪底 大朝山 鲁布革 棉花滩 东 风 太平驿 28013 ×3017 ×6517 25115 ×2612 ×6114 22510 ×2810 ×6113 12510 ×1910 ×3914 12915 ×2119 ×5211 10710 ×2117 ×4719 11017 ×1917 ×4119 3300 1800 1350 600 00 510 260 由表 1 可见 , 由于发电机组容量大 ,要求地下 洞室规模较大 , 导致大量石方开挖. 以二滩电站为 例 , 其 地 下 厂 房 长 度 为 28013 m , 宽 3017 m , 高 6517 m ,不计输水洞 、交通洞的石方开挖工程量 ,仅 厂房洞室就需开挖石料 5615 万 m3 ,不仅工程浩大 , 施工不便 ,而且影响建设工期. 如果地质条件再相当 复杂 ,由于需要采取处理措施 ,会进一步增加工程投 资. 此外 ,电站厂房位于山体内 ,环境潮湿 ,容易造成 的长度 ,即逐步加密网格 ,计算结果说明坝踵拉应力 不断增大 ,如图 1 所示. 显然 ,用弹性应力分布方法 对空腹重力坝的坝踵应力进行分析 ,得不到稳定的 结果 ,因此无法评定坝的安全性 ,这也是空腹坝不能 广泛采用的原因之一. 三角形六节点单元 ,如图 4 所示. 把围绕裂缝尖端的 三角形单元各边上的中间节点移至边长的 1/ 4 处 , 以模拟裂缝尖端的应力奇异性. 计算表明 ,网格密度 达到一定程度后 ,对坝踵裂缝尖端应力强度因子的 大小影响很小. 例如 ,整个模型剖分成 168 个单元比 剖分 为 674 个 单 元 计 算 出 的 应 力 强 度 因 子 仅 小 0137 % ,因此只需在裂缝尖端和腹孔周围加密网格 , 其他部位则可以采用较稀疏网格. 图 1 三角形单元边长尺寸对坝踵应力的影响 图 2 空腹重力坝计算简图 断裂力学是上世纪 60 年代发展起来的一门新 兴力学学科 ,主要用于研究带裂缝固体的强度和裂 缝传播的规律. 线弹性断裂力学以应