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基于线弹性断裂力学的高拱坝底缝分析

邵勇  
【摘要】:在坝工设计中,拱坝常由于荷载如温度荷载、水荷载、泥沙荷载等作用下在坝踵处产生过大的梁向拉应力,从而导致坝踵开裂。对于宽河谷、坝高300米级的特高拱坝,情况更为严重。而一旦开裂,再在高压水的作用下,裂缝可能进一步扩展,甚至破坏止水帷幕,从而导致严重后果。因此,常常采取各种措施来避免在拱坝内部产生过大的拉应力。这些措施主要分成两类:一是进行坝体体型优化设计、控制施工时混凝土的入仓温度等;二是采取有效的结构措施,如设诱导缝、周边缝、底缝等。 采取结构措施在目前的坝工设计中存在比较大的争议,既有一些成功的先例,也有惨痛失败的例子。本文首先阐述了在高拱坝中设置底缝的思想来源,接着介绍了断裂力学的基本理论以及断裂有限元的计算原理,然后以小湾高拱坝设20m深的底缝方案作为研究对象,计算了设置底缝前后坝踵处的应力,分析了设置底缝后拉应力释放的情况以及位移场的变化对拱坝的影响,并定性地分析了坝肩处的应力场及稳定性。通常设计中仅考虑了设置底缝后坝体——坝基整体稳定性,而忽略了底缝作为人工裂缝其本身的稳定性,本文对底缝本身的稳定性进行了分析,采用断裂有限元法,用Williams公式计算出底缝尖端的应力强度因子值,再根据复合型裂缝断裂的K判据来判别底缝的稳定性。最后得到的结论是:小湾拱坝20m深底缝方案对于释放坝踵处的过大拉应力具有明显的效果,同时坝体的位移场、坝肩处应力场在设缝前后变化不大;底缝本身基本处于稳定,但中间坝段处底缝相对薄弱,工程上需要调整并加以关注。


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