冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏特性分析

顾培英，肖仕燕,2，邓　昌，章道生,2，王　建

(1.南京水利科学研究院， 南京　210029； 2.河海大学 水利水电学院，南京　210098)



冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏特性分析

顾培英1，肖仕燕1,2，邓昌1，章道生1,2，王建1

(1.南京水利科学研究院， 南京210029； 2.河海大学 水利水电学院，南京210098)

摘要：冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏特性较静荷载作用下要复杂得多。采用钢板均匀冲击模拟水下循环冲击波对混凝土重力坝的作用，试验遵循几何和重力相似准则，对模型重力坝进行均匀冲击破坏特性研究，得到模型坝体的动力破坏特性，并对裂缝位置和扩展情况进行定位和追踪。试验结果表明：当坝体遭受循环均匀冲击荷载时，上游坝面坝体最大动应变不再在坝踵处，而是位于坝体中部；坝头部位是抗冲击的薄弱部位，最先出现开裂破坏；坝体破坏模式包括贯穿性断裂、碎裂、层裂和抛掷等。试验结果可为大坝的运行管理、防爆抗振设防及安全评价提供理论依据和技术支持。

关键词：混凝土重力坝；冲击荷载作用;循环冲击；响应特性；破坏模式

1研究背景

水电能源是目前大规模开发的清洁能源，也事关防洪抗旱、航运、环境保护等重大国计民生问题。我国水能资源十分丰富，实际开发量和可开发量均处于世界首位。近年来我国重力坝的数量越来越多，坝高越来越高，这些高坝运行过程中除受静载、地震荷载作用外[1]，还可能遭受自然灾害或人为引起的冲击荷载的作用(如大体积山体滑坡冲入水库引起的冲击、爆炸冲击、船舶冲击等)，存在动力破坏的危险。大坝的意外损毁，可能导致灾难性的洪水事件,席卷下游的居民区和农业土地,给国家和人民的生命财产带来巨大的损失和灾难。大坝安全问题面临着前所未有的挑战。

近年来国内外学者就冲击荷载作用下水中结构的动力响应开展了大量的研究，如Houlston等[2-3]对不同强度的方形薄板进行了水下爆炸试验研究获得结构动力响应的位移分布值,Fujikake 等[4]利用落锤试验装置对钢筋混凝土梁在冲击荷载下的动力响应特性进行了试验研究，并采用双自由度质量-弹簧-阻尼器模型对冲击试验进行计算与分析，通过对比试验结果与模型计算结果可知，两者吻合良好。姚熊亮等[5]利用LS-DYNA有限元软件对圆柱结构在不同流体边界下水下爆炸冲击载荷作用的动态响应进行数值研究,并将数值模拟结果和经验公式计算结果以及海军工程的实验结果相比较,结果表明利用LS-DYNA模拟水下爆炸在一定范围内是可行的。张社荣等[6]运用显式动力分析程序LS-DYNA，对水下爆炸冲击荷载作用下大坝动态响应进行分析，探讨大坝可能破坏模式及相应的破坏机制。张社荣等[7]采用SPH-FEM耦合方法，对水下接触爆炸下的大坝动态响应及毁伤特性进行了分析。王山山等[8]通过重力坝模型试验的方法，根据结构振动响应数据，有效测试结构的动力特性。综上所述可以看到，冲击对水中结构响应的试验研究主要集中于结构的动态响应，对于大坝的安全，人们更关心的是坝体遭受循环冲击荷载大坝的破坏形态和破坏程度的估计。本文用机械冲击模拟大坝在强冲击波作用下的破坏过程，开展大坝在核爆、山体滑坡冲击作用下的破坏试验。

2理论分析

钢板冲击模型重力坝时冲击荷载随时间急剧变化，且使系统产生惯性力。本研究采用能量法近似计算结构的冲击力和冲击应力，并给出如下假定：①不计冲击物钢板的变形；②冲击物钢板撞击重力坝迎水坝面回弹后，不再作用第2次；③被冲击物模型重力坝的惯性与冲击物钢板相比很小，可略去不计，冲击力瞬时传遍整个被冲击物模型重力坝；④整个冲击过程中，构件在线弹性范围内；⑤冲击过程中，声、热等能量损耗很小，可略去不计；⑥地基视为刚性 ,不考虑大坝和地基的相互作用,不考虑温度变化。

图1为坝体结构受冲击荷载前后的受力简图。其中，静荷载作用下坝体向下游面倾斜的水平距离为δst，冲击荷载作用下坝体向下游面倾斜的水平距离为δd。根据能量守恒定律可得公式如下：

(1)

(2)

式中：m为加载板质量；v为冲击速度；q为均布荷载；l为坝高。

图1　坝体结构受冲击荷载前后的力学分析Fig.1　Force analysis of structure before and after impact load

由此可推出动力系数Kd的表达式如下

(3)

静荷载作用下重力坝静位移δst可表示为

(4)

式中:E为弹性模量；I为惯性矩。

静荷载作用下的应力-应变计算表达如下式：

(5)

(6)

(7)

由式(5)至式(7)可知当x=0.63时σmax取得最大应力，即坝踵和坝址处应力应变响应最大。

3试验概况

3.1试件设计

本试验模拟的是枫树大坝的某坝段,坝高95.3 m,坝底厚度80 m，坝顶宽度29 m。本文模型的比例尺为1∶127，试验采用水泥砂浆来制作结构模型，水泥砂浆这种模型材料的密度、泊松比都很容易与实际混凝土一致。试验共设计了一个重力坝段，坝段高0.75 m，宽0.63 m，厚0.09 m，水泥砂浆通过搅拌机搅拌，木模浇筑成型，达到龄期后首先进行水泥砂浆试块材料力学性能试验，水泥砂浆试块弹性模量21.3 GPa，抗压强度29.7 MPa，泊松比0.14。

3.2试验装置

由于爆炸或山体滑坡产生的水下冲击波强度高，传播速度快，在一定范围内球面波可以作为平面波来考虑，坝体上游面受到的冲击荷载可以认为沿坝高和坝轴线方向均是均匀分布的，同时考虑到坝体横向分缝形成坝段，各个坝段独立工作，所以取一个坝段研究可以代表整个坝体。

图2　冲击激励装置Fig.2　Device of shock excitation

3.3测试方案

试验采用固定钢板重量，变化钢板冲击速度改变冲击能量。考虑加载板间的相互作用及摆臂变形、摩擦力等影响，应用HX-3型高速摄像机分别测得5块加载板接触试件前的瞬时冲击速度及接触时刻，计算冲击能。测试结果表明，5块加载板基本能同时接触试件，一般情况下冲击速度差异不大，近似认为冲击力均匀。由于摆臂质量很小，只有加载板的1.2%，摆臂冲击能会更小，故忽略摆臂冲击能影响。考虑应变的对称性，同时兼顾其他同步测试项目，如高速摄影、冲击加载试验装置、声发射等应变片只贴在模型的左侧，一共11个测点。除第1个测点只贴有竖向应变片，别的测点均有横向、竖向、斜向的三向应变片，共计31个应变片,如图3所示。

图3　应变片布置Fig.3　Layout of strain gauges

加载过程中为避免加载板之间相互碰撞，通过调整电磁铁吸附位置保证钢板与悬吊角钢在一条直线上不能有倾斜，且5块加载板、角钢相互平行。5块加载板接触试件前的瞬时冲击速度及接触时刻通过HX-3型高速摄像机分别测得，加载过程中各测点的应变响应由预先粘贴的应变片与TST5925E无线遥测动态应变测试分析系统对应变进行实时采集和分析，并绘制相关图形。

表1　结构在不同冲击荷载作用下最大应变响应值及破坏形态

注：测点3的应变值达到应变片极限，应变片已损坏

图4　加载高度与冲击能量关系曲线Fig.4　Relationship betweenlifting height and averageimpact energy of load plate

4试验结果及分析

4.1冲击能量

应用HX-3型高速摄像机分别测得5块加载板接触试件前的瞬时冲击速度及接触时刻，计算出5个不同工况荷载作用下冲击能如图4所示，5个工况对应的加载板提升高度h分别为150，300，450，600，750 mm。

4.2应变响应特性

模型结构测点6在工况5荷载作用下典型的应变响应时程曲线如图5所示(混凝土应变以受拉为正、受压为负)。

图5　典型结构应变响应时程曲线Fig.5　Typical time history of strain response

各工况作用下坝体不同位置最大应变响应及破坏形态描述如表1所示，由表可知在随着冲击能量的增大，各测点最大应变基本随着冲击荷载的增大而增大，各测点中测点3应变最大，应变值已达应变片极限，应变片已被损坏；随着冲击能量的增大坝体破坏越严重，坝体在工况3(h=450 mm)荷载作用下破损出现微裂缝。随着冲击能量的增大裂缝扩展，最终贯穿完全破损。

根据结构在均匀冲击荷载下应变响应时程曲线，可得结构在不同冲击荷载作用下各测点最大应变响应值。由于混凝土在冲击荷载作用下的开裂破坏主要是受拉破坏，所以本文重点分析拉应变。各试验工况下迎水坝面、坝基面、背水坝面最大拉应变分布如图6所示。

图6　拉应变分布Fig.6　Distributions of tensile strain

由图6(a)迎水坝面应变分布情况可看出：①在冲击荷载作用下，迎水坝面各部位最大拉应变响应值基本都随冲击能量的增大而增大；②在不同冲击荷载作用下，迎水坝面最大拉应变响应基本都集中发生在迎水坝面中部位置，测点3应变达到应变片极限值，应变片已被损坏,应变值未测到。根据理论分析，在静荷载作用下坝踵和坝址处应力应变响应最大，出现最大应变上移这种情况的原因是，混凝土重力坝具有一定柔性，在强冲击荷载作用瞬间坝体向下游面倾斜，最大应力应变响应出现上移现象。

由图6(b)坝基面应变分布情况可看出：①在冲击荷载作用下，坝基面各部位最大拉应变响应值基本都随冲击能量的增大而增大；②在不同冲击荷载作用下，坝基面最大拉应变响应基本都集中发生在坝踵和坝址处。由图6(c)背水坝面应变分布情况可看出：①在冲击荷载作用下，背水坝面各部位最大拉应变响应值基本都随冲击能量的增大而增大；②在不同冲击荷载作用下，背水坝面最大拉应变响应基本都集中发生在坝址和坝颈处。

4.3破坏特性分析

图7给出了工况5冲击荷载作用下坝体的最终破坏形态，混凝土的破坏主要是等效积累塑性应变和积累塑性体积应变2部分综合作用引起，冲击荷载的总能量一部分是引起等效积累塑性应变的破坏冲量，它对混凝土的破坏起主导作用；另一部分是引起混凝土体积应变的破坏冲量。同时混凝土材料是典型的脆性材料，其抗拉强度和抗剪强度远小于抗压强度，混凝土的断裂破坏主要是由于拉伸应力或剪切应力达到极限条件而引起的破坏。

图7　工况5冲击荷载作用下重力坝最终破坏形态Fig.7　Final failure modes of gravity dam underimpact load in working condition 5

图8　裂缝位置和扩展情况Fig.8　Position and propagation of cracks

不同工况荷载作用下坝体破坏形态描述如下。

(1) 工况1荷载作用下坝体完整，无破损现象。

(2) 工况2荷载作用下坝体左右侧面表层砂浆碎裂脱落，由表1可看出随着冲击荷载的增加，坝体中部产生强烈的拉伸应变。

(3) 工况3荷载作用下坝顶下方20～25 cm间坝体迎水面和坝体下游右侧出现裂缝破坏，裂缝名称为裂缝2-1和裂缝2-5，图8中给出冲击荷载作用下重力坝裂缝出现的位置、形状及发展方向，网格尺寸为5 mm×5 mm。结合高速摄像仪可看到在工况3冲击荷载作用下坝体向前倾斜与钢板支座分离，卸载后回落到原位。

(4) 工况4荷载作用下坝下游左侧表层砂浆碎裂脱落严重，坝下游右侧裂缝2-1扩展形成裂缝2-2，坝体迎水面裂缝2-5扩展同时延伸形成裂缝2-7，坝体背水面完整无破损现象。

(5) 工况5荷载作用下裂缝贯穿，坝头被撞掉抛向下游坝面(图7)。

根据坝体模型最终破坏形态分析表明，在冲击荷载作用下，重力坝坝头是抗冲击的薄弱部位。尽管在不同冲击荷载作用下结构最大应变响应基本都集中生在上游坝面中部，但在坝颈处上下游方向首先形成贯穿裂缝。是由于坝颈处受较大剪应力和拉应力作用，且断面尺寸突变，坝颈处出现应力集中现象。在强冲击荷载作用下,坝体内的应力、应变变化(时、空变化)比较复杂,因此坝体的破坏特性具有多样性和随机性。

5结论

(1) 在冲击荷载作用下，坝体各部位最大应变响应值基本都随冲击能量的增大而增大。

(2) 在循环均匀冲击荷载作用下，坝体迎水坝面最大拉应变响应集中在迎水坝面中部。

(3) 坝头部位是混凝土重力坝的抗冲击的薄弱部位，冲击过程中，坝颈上下游方向首先贯穿，而使混凝土重力坝丧失基本承载力。

(4) 在不同的冲击荷载用下，混凝土重力坝的损伤破坏程度不同，冲击能量的不同对混凝土重力坝在强冲击荷载下的非线性动力反应影响较大。

本试验不足之处在于：坝体结构与支座用螺栓紧固，支座缓冲作用相应较弱，使得结构更容易破坏。

参考文献：

[1]陈厚群. 水工混凝土结构抗震研究进展的回顾和展望[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2008， 6(4)：245-257.

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[4]FUJIKAKE K, LI B, SOEUN S. Impact Response of Reinforced Concrete Beam and Its Analytical Evaluation[J]. Journal of Structural Engineering, 2009, 135(8): 938-950.

[5]姚熊亮,王玉红,史冬告.圆筒结构水下爆炸数值实验研究[J].哈尔滨工程大学学报,2002,23(1):5-8.

[6]张社荣，王高辉.水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的抗爆性能[J]. 爆炸与冲击,2013,33(3)：254-262.

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[8]王山山,杨振宇.重力坝动力特性测试方法模型试验研究[J].振动与冲击,2012,31(10)：11-15.

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(编辑：赵卫兵)

Damage Characteristics of Concrete Gravity Dam under Impact Load

GU Pei-ying1, XIAO Shi-yan1,2, DENG Chang1, ZHANG Dao-sheng1,2, WANG Jian1

(1.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing210029, China;2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing210098, China)

Abstract:The dynamic responses of concrete gravity dam under impact loading are much more complicated than that under static loading. In this paper the damage characteristics of gravity dam is researched by applying steel uniform impact to simulate the cyclic impact of wave loading underwater on concrete gravity dam. Geometrical and gravity similitude are both satisfied in the model test. The dynamic responses of model dam are obtained, and the position and propagation of cracks are observed and tracked. Results reveal that when the dam is subjected to cyclic uniform impact loading, the maximum strain of dam is at the middle of the upstream dam face rather than at the dam heel; cracking damage occurs first at the jetty head which is a weak part of impact resistance. The failure modes of concrete gravity dam under cyclic uniform impact include cracking, fragmenting, spalling and throwing. The results provide theoretical basis for the operational management, shock resistance and safety evaluation of dams.

Key words:concrete gravity dam; impact load; cyclic impact; response characteristics; failure modes

中图分类号：TV32.3

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0048-05

doi:10.11988/ckyyb.201501622016,33(05):48-52

作者简介：顾培英((1968-)，女，江苏南通人，教授级高级工程师，主要从事水工结构抗震、减震、损伤振动诊断研究,(电话)13605168904(电子信箱)237651708@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51179107)

收稿日期：2015-03-09;修回日期：2015-04-10