地震荷载作用下大坝系统非线性动力损伤分析

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1、水利学报2005年5月SHUILIXUEBAO第36卷第5期文章编号:0559-9350(2005)05-0000-08地震荷载作用下大坝系统的非线性动力损伤分析1，211邱战洪，张我华,任廷鸿(1.浙江大学岩土工程研究所，浙江杭州310027；2.浙江台州学院，浙江台州317000)摘要：本文在连续损伤力学理论基础上，把非线性动力损伤的概念引入岩石类介质的本构模型，分别提出岩石类材料的脆性动力损伤和粘弹塑性动力损伤破坏模型。同时，将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入Mohr-Coulomb破坏准则，用于分析在渗流压力、损伤发展、

2、孔隙率演化和动应力共同作用下堤坝及岩基系统的非线性地震动力损伤，建立了相应的二维有限元动力损伤数值分析模型，并应用于地震荷载作用下的龙滩混凝土重力坝及其岩基的破坏过程分析，分析结果可作为大坝的安全性评估的依据。关键词：脆性损伤破裂；粘弹塑性损伤破裂；损伤演化律；有限元动力损伤分析；堤坝与岩基地震响应中图分类号：O346.5文献标识码：A我国水力资源蕴藏量70%都集中在西南和西北地区，而这些地区也正是高烈度地震频发地区。小湾、溪洛渡等一批300m级的超高拱坝和龙滩等200m级的高碾压混凝土重力坝已经在我国西部高烈度地震区进行建设。高坝的抗震安全稳定

3、关系到下游广大地区工农业生产和人民生命财产的安全，因此对地震荷载作用下的大坝和岩基系统进行动力损伤分析有着重要的工程意义。混凝土坝由于水荷载作用、地基变形失稳、[1]地震作用、高速水流冲刷等原因而溃坝已有许多实例，这些实例表明，高坝破坏机理关键在于：(1)非连续(节理、断层、软岩)坝基岩体在蓄水渗流或强地震下发生变形、滑动；(2)大坝混凝土在蓄水与强地震作用下发生强度断裂。在高坝和坝基的动力分析中主要存在的问题有：(1)地震动力分析中只考虑无质量截断地基，不考虑无限地基的辐射阻尼与河谷地震动差异的影响，地震波输入仍沿用刚性边界输入；(2)高坝坝体

4、应力分析以线弹性理论为基础，假定坝体是均匀连续的线弹性结构，不考虑坝体断裂与拱坝开裂的非线性反应；(3)在坝基动力分析中以拟静力法为主，不考虑岩体的动力响应以及振动频率与相位的影响，也不考虑岩体振动过程中产生的残余变形对坝体的影响；(4)高坝破坏机理与破坏仿真仍属空白领域，迄今缺乏数值分析[1][2～4]与实验手段。在已有的文献当中，采用连续损伤力学的方法对混凝土重力坝进行非线性动力损伤分析的文献还不多见。而在采用传统的有限元方法对混凝土重力坝进行非线性动力分析时，未考虑材料中微裂纹的产生、发展所造成的材料劣化对材料力学性能的影响，并且不能对坝体

5、的损伤状态进行评价。龙滩水电站位于红水河上游，广西天峨县境内，是一座大型水电工程。大坝采用碾压混凝土重力坝，工程等级为一级，主要建筑物为一级，坝址区基本烈度7度，设计地震烈度采用8度。本文采用岩石类材料的脆性动力损伤和粘弹塑性动力损伤两个模型，分别对龙滩水电站的碾压混凝土重力坝和岩基进行脆性动力损伤和粘弹塑性动力损伤分析。1计算理论模型收稿日期：2004-10-10基金资助：教育部博士点特别研究基金(A50221)；国家自然科学基金(50379046)作者简介：邱战洪(1977-)，河南驻马店人，博士生，从事损伤力学及损伤力学在岩土工程中的应用研

6、究。E-mail:qiuzhanhong@126.com1水利学报2005年5月SHUILIXUEBAO第36卷第5期1.1脆性动力损伤分析理论1.1.1岩石类材料的脆性动力损伤-破坏模型岩石材料的动力损伤是一个复杂的破坏失效过程，它包含了[5]介质变形、岩体断裂、孔隙压力变化、孔隙率演变等过程的耦合。为了能描述岩层中上述的失效破坏现象，本文在文献[5]的基础上提出了一种修正的莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)脆性损伤破坏准则。它可以在岩石介质中引入孔隙压力与损伤所造成的有效应力和由孔隙水所造成的有效凝聚力***τ=c−σtanϕ(1)nn*

7、**式中：τn为破坏面上的有效剪应力；σn为破坏面上的有效法向应力；c为有效凝聚力；φ为介质的内摩擦角。*破坏面上的有效剪应力τn可参照有效应力的概念，写出下面的形式*τn=τn/(1-Ω)(2)*有效法向应力σn应由破坏面上的外荷载所引起的法向内力与孔隙压力所引起的内力的和来确定。鉴[6，7]于损伤变量与孔隙率的面积折减率等效的概念，破坏面上的有效法向应力可通过损伤变量Ω及孔隙压力P表示为*1Ωσ=σ+P(3)nn1−Ω1−Ω将有裂隙的岩石作为脆性损伤材料时，由于孔隙水效应，通常引入有效凝聚力的概念。因此，有效凝聚力是与孔隙率、孔隙压力及损伤变

8、量有关的材料状态参数。孔隙水对有效凝聚力的影响可被假定为孔隙*率Φ及孔隙水压P的函数。于是，含水孔隙介质的有效凝聚力c被考虑为*c=f(