坝体裂缝对拱坝承载力的影响

严成斌，向贤镜

（中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵州 贵阳 550081）

坝体裂缝对拱坝承载力的影响

严成斌，向贤镜

（中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵州 贵阳 550081）

文章以下涧口水库拱坝的相关数据，选取单位高度拱圈作为研究对象，采用有限元法，应用ANSYS通用计算软件进行模拟计算分析。从拱圈开裂后出现的裂缝条数的变化，拱圈中心角的改变、跨度不同等，多方面分析裂缝对拱圈承载能力的影响。得出裂缝对拱圈的承载能力有所降低，单边开裂对拱圈承载能力降低最为明显，但裂缝数量的增加对拱圈的承载能力影响较小，拱坝开裂基本不影响其继续使用。

拱坝裂缝；承载能力；接触单元

1 概述

在我国六七十年代，兴建了一大批拱坝，拱坝在地方水利建设中发挥了显著作用。但由于当时科技水平的限制，很多拱坝在设计、施工以及地质勘测上都存在缺陷，导致了一系列病害问题的出现，而其中比较普遍的一种就是拱坝产生竖向裂缝，但很多拱坝开裂后能继续使用。大家普遍认为拱坝的开裂会降低其承载能力，但降低的幅度未见明确解答。拟结合实际工程进行分析，对坝体裂缝降低拱坝承载力进行评价。

2 计算模型

有限元计算分析软件ANSYS自带有接触单元，应用其中的面－面接触单元模拟块体与块体之间的结合面。计算模型选取下涧口水库高程704.46 m到705.46 m，高度为1 m，厚度为4 m，中心角为110°的单位厚度拱圈为例，假设拱圈的上下游都是垂直的，即拱圈是等厚的，在上游面受到均布荷载的作用。此次计算采用单位高度的拱圈，将整个拱坝作了很大简化，仅考虑拱向的作用，而忽略梁向，因此在计算分析中主要考虑上游水荷载，荷载的大小为高程704.96 m处正常水位时水荷载的值，计算模型如图1。

3 计算结果与分析

1）拱圈的承载能力确定。应用大型有限元软件ANSYS进行建模及计算分析。通过计算分析发现，结构的极限承载能力能够用简单且直观的判断方法塑性区贯通法直接判断得出，也可通过位移突变法确定。用这两种方法都能比较方便而又有效地判定拱圈的破坏状态。现采用位移突变法来判断拱圈极限状态，表1列出了某拱圈最大径向位移与超载系数关系。

根据表1数据绘制，超载系数与最大径向位移关系曲线如图2所示。图中右侧的图例分别为：0代表原拱没有开裂，1，2，3，9分别代表拱圈裂缝的条数。

在图2中，在无裂缝至多条裂缝下拱圈的超载系数与最大径向位移关系曲线，都有一个曲率的转折点。也即位移由线性增加到偏离线性而急剧增长的一个临界点。位移突变法的观点认为，拱坝极限状态与拱坝由位移缓慢增长到急剧增大的临界点相对应。详细研究拱圈在各受力阶段的位移和破坏情况后发现，当压力超载系数小于临界值时，拱圈上只产生有限的破坏；而当超载系数超过临界值时，拱圈上出现很大的塑性区，拱圈实际上己丧失了继续承载的能力。因此，用该点所对应的超载系数来衡量拱圈的超载能力是可行的。

表1 最大径向位移与超载系数关系表 cm

转折点的确定可以通过下述方法实现。由于该点是拱圈的径向位移由缓慢按比例增长到急剧增大的一个临界点，所以可以将缓慢增长的阶段用一条直线拟合，急剧增长的阶段用另一条直线拟合，而两条直线的交点A，即可认为是此临界点，对应的超载系数K为相应的拱圈的极限承载能力超载系数，如图3所示。

2）单个拱圈影响分析。根据以上方法单个拱圈在各种情况下的超载系数分别为：原拱不开裂时约为 3.8～3.9，单边开裂时 3.6～3.7，对称开裂时3.5～3.6，3 条裂缝时 3.5～3.6，9 条裂缝时 3.5～3.6。裂缝条数对拱圈的承载能力与原拱比较降低百分数，见表2。

表2 单个拱圈裂缝数承载力降低百分数 %

拱圈开裂对其承载能力有所降低，单边开裂对拱圈的承载能力与原拱比较，降低了5.19%，2条裂缝至9条裂缝降低了7.79%，拱圈开裂后，破坏了其整体性，其承载能力有所降低，但随着裂缝数量的增加，拱圈逐渐形成了分块结构，块与块之间能传递应力，其承载能力就不再降低。

3）中心角不同的影响分析。为了对不同拱形的坝体裂缝作一个系统的分析研究，现以下涧口水库砌石拱坝高程704.46 m的拱圈作为参考，固定拱的跨度、拱圈的厚度以及荷载情况不变，改变拱的中心角。在厚度相同，跨度相同，中心角不同的情况下对拱圈进行分析。中心角选取的范围为80°～120°。选取跨度60 m，并参照其它工程再选取跨度100 m和150 m的拱圈作为研究对象，作同样的分析研究。表3为单边开裂，跨度相同中心角不同时，拱圈承载力降低百分数。

表3 跨度相同中心角不同承载力降低百分数 %

随着拱圈中心角的增大，拱圈的承载能力也增大，但开裂拱圈承载力降低的百分数在减少。由此，在相同的跨度时，不同中心角的拱圈开裂，对应的承载能力随中心角的增大降低的幅度越小。

4）跨度不同的影响研究。对上面跨度不同的3个拱圈进行进一步分析，单边开裂，比较跨度不同、中心角相同的情况下，拱圈开裂对其承载力的影响。结果见表4。

从表4可以看出，中心角相同时，随着跨度的增加，拱圈裂缝对其承载能力的降低的百分数有增大的趋势。相同中心角不同跨度的拱圈，裂缝对跨度大的拱圈影响较大。

表4 相同中心角不同跨度承载力降低百分数 %

4 结语

结合实际工程选取若干拱圈作为研究对象，分别在坝体裂缝数量不同、拱圈中心角的改变以及跨度不同等情况下，计算分析了裂缝对拱圈极限承载力的影响。

1）拱圈开裂对其承载能力有所降低，单边开裂对拱圈承载能力降低最为明显，拱圈开裂后，随着裂缝数量的增加，拱圈承载能力降低的趋势不明显。

2）跨度相同的拱圈，随着中心角的增大，拱圈的承载能力也增大，但开裂拱圈承载能力降低的倍数越小。即拱圈的承载能力降低的倍数随着中心角的增大而减小。

3）中心角相同，随着跨度的增大，拱圈裂缝对其承载能力的降低有增大的趋势。

综合以上几点，裂缝对拱圈的承载能力有所降低，但裂缝数量的增加对拱圈的承载能力影响较小。

［1］郝文化.ANSYS实例分析与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［2］黎展眉.拱坝［M］.北京：水利电力出版社，1982：8-9.

［3］夏颂佑.拱坝极限承载能力和破坏机理［J］.河海大学学报，1990，18(2)：93-100.

［4］林鹏.高拱坝超载的计算机仿真［J］.水利水电技术，2000，31(8)：4-7.

Influence of dam crack on carrying capacity of arch dam

YAN Cheng-bin,XIANG Xian-jing

Taking unit-height arch ring as an example,the paper simulates and analyzes influence of crack on carrying capacity of arch ring from the change of crack number,change of central angle of arch ring,different span,etc,by using the ANSYS software and the finite element method based on relative data of Xiajiankou reservoir arch dam.The result is that the crack decreases the arch ring carrying capacity,especially the side-crack is most obviously,but the influence of increase of crack number on the carrying capacity is small and crack will not affect the normal usage basically.

arch dam crack;carrying capacity;dam contact element

TV642.4

B

1002－0624（2011）06－0007－02

2011-03-07