拱形重力坝横向裂缝分析

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1、（拱形重力坝横向裂缝分析）拱形重力坝横向裂缝分析S.Malla，M.WielandElectrowatt工程有限公司，Bellerivestrasse36，邮箱，CH-8034Zurich，瑞士摘要：经过25年的运行第一条横向裂缝出现在拱形重力坝的上层廊道的下游侧墙壁上。从那时起，裂缝逐渐延伸到整个上层廊道的长度方向并且裂缝的开度也不断增加。同时坝顶往上游侧产生不可恢复的位移。这个结论已经通过大坝基础系统的三维有限元分析模型得到证实。一个广泛的有限元研究结果表明，这种行为可以解释为体积的膨胀是由于大体积混凝土的碱骨料反应（AA

2、R）。在大坝所使用的大体积混凝土试验也证明发生这种反应的可能性。1999年Elsevier科学有限公司，保留所有权利。关键词：拱形重力坝，大体积混凝土，热分析，断裂力学，碱骨料反应，非弹性位移。1、简介经过25年的运行，一条连续的裂缝在45米高的拱形重力坝的上层廊道的下游墙壁上被发现。上层廊道位于坝顶以下15米。然后，裂缝沿着几乎整个大坝的长度方向传播并且裂纹以每年高达0.1毫米的速率不断增加。这伴随着坝顶每年约向水库发生1.1毫米不可恢复的偏移。类似的裂缝也被发现在上层廊道墙基的角落里。然而，这个裂缝的开度远小于第一条。对于

3、这个问题的调查，有一对大坝基础系统的三维有限元分析模型的研究结果。线性弹性模型的热性和弹性性能帮助测定了混凝土和空气的可用记录温度，而大坝的位移由位于大坝的核心位置的单摆测得。重力，温度和水负荷组合的应力分析结果表明，在夏天，在上层廊道观察到裂缝的位置正是拉伸应力相对较高的区域。然而，这些拉应力还是不够高到产生裂缝。基于这项研究，碱骨料反应才是最有可能使大坝上层廊道产生裂缝的原因。大体积混凝土的试验也显示了大坝碱骨料反应较高的潜在性。图1、大坝上游展视图和通过分区10的截面展示上下廊道13（拱形重力坝横向裂缝分析）2、大坝的主

4、要特点拱形重力坝，如图1所示。坝高45米、长度290米、坝顶宽度5米，地基最大宽度为22米。大体积混凝土的总体积为71,000m3，大坝所用的混凝土属性如表1所列。表面混凝土（上游面2m厚，下游面1.5m厚）大体积混凝土（里面部分）水泥含量250kg/m3190kg/m3水灰比0.560.7128天立方体强度29MPa20MPa表一、混凝土特性粗骨料以片麻岩为主，还有或多或少的云母，最大粒径为80毫米。在混凝土搅拌中加入引气剂。混凝土浇筑成2.7米的方块。混凝土下部有一管网用来冷却，这有助于在5个月里把混凝土温度从最高40℃降

5、低到5℃左右。3、有限元模型三维ADINA有限元（FE）大坝地基系统模型，由20个节点的实体单元组成，如图2所示。在大坝和基岩中分别有1722和1560个元素。三维模型的热和位移分析中有14555个节点和41634个自由度。图2、三维大坝地基系统和分区10的网格有限元模型。大坝需要一个比较精细的有限元网格来查看坝面附近的高温度梯度和上层廊道周围的高应力梯度。大坝的下层廊道不需要建立模型。同样的有限元网格也适用于热和位移分析。4、热分析4.1.大体积混凝土的热力学大体积混凝土的热力学主要特性是扩散系数h，其公式为13（拱形重力坝

6、横向裂缝分析）其中：k是热导率，为质量密度，为每单位质量的比热。根据类型的不同，主要的聚集，大体积混凝土的扩散系数在0.75×10-6和1.70×10-6㎡/s（见ACI207.1R-87[1]）。该地方每月的平均空气气温以超过一年的周期呈正弦变化，厚混凝土坝的温度分布可以通过一个简化的分析模型来大致估算，如下文讨论。一个均匀半空间表面受到的正弦温度周期（如平均温度偏差）由下式求得：其中：ω是圆频率，To温度波动（日循环的角速度ω=7.27×10-5rad/s和年循环的角速度ω=2×10-7rad/s），To是表面混凝土温度的

7、振幅。在任一时间t时距表面距离x的温度波动可以写成如下形式：其中，方程（3）显示温度的波动幅度从表面往下呈衰减趋势。如果渗透深度Xp定义为表面的温度波动幅度降低到1/10时的深度，我们可以写为当h=1.45×10-6㎡/s（校准值），得到以下渗透深度：当日温度波动a=5.01m-1，Xp,日=0.46m；当年温度波动a=0.263m-1；Xp,年=8.8m。很明显，年或季渗透深度约为日渗透深度的20倍。每天的循环只影响到表面层，这并不会导致厚度522米的大坝上有显著的位移。因此，在这项研究里每天的温度波动影响可以忽略。4.2.

8、热分析的边界条件大坝的上游和下游面的正确模型边界条件对坝内温度分布的精确计算非常重要。表面过程，如空气和混凝土表面温度的关系取决于热对流和热辐射。这些过程的正确模型考虑到日常以及季节性的空气温度和太阳辐射变化，这是一项艰巨的任务。该模型需要这些表面过程，但是，要规避测量所得的