单位文秘网 2021-08-31 09:12:27 点击: 次
摘要:针对混凝土坝越来越高,越来越容易产生水力劈裂的问题,总结已有混凝土水力劈裂问题的研究成果,结合水力劈裂的发生条件、在水压作用下混凝土裂缝的开展以及影响水力劈裂作用的因素,探讨水力劈裂数值模拟的方法.比较有限元法、扩展有限元法和无单元法在水力劈裂数值模拟问题应用上的优点与不足,并分析数值模拟模型建立过程中参数设置的差别.结果表明,必须从坝材料、施工和水压等多方面考虑才能确保水力劈裂数值模拟结果的可靠性.
关键词:混凝土坝; 混凝土断裂; 水力劈裂; 裂缝开展; 发生机理; 有限元
中图分类号: TV642; TB115.1
文献标志码: B
0引言
随着经济快速的发展,对能源的需求也在增大,水利水电能合理满足中国的需求——绿色环保.但是,很多大坝都建在水文地质条件较差的环境中,如大坝的水头高、岩体的性能差、材料防渗透能力差和埋深大等.在这些恶劣条件下,大坝很容易发生水力劈裂.目前,对水力劈裂的研究尚处于不成熟阶段,很多工程的失事,如美国的Teton大坝、奥地利的Kolnbrein大坝和挪威的Hyttejuvet大坝等都造成过
重大损失.调查结果显示,诸多失事都是由水力劈裂的发展导致的.随着大坝高度的增加,水力劈裂容易发生形成贯穿的渗流通道,导致大坝不能正常工作,所以需要更加重视.水力劈裂问题已成为大坝设计中必须考虑的关键安全问题之一.
目前,水力劈裂问题研究的主要方法有实验模拟方法和计算机数值模拟方法.实验虽然是科学研究的主要手段,但是成本高,而且要想在实验中真实模拟大坝的高水位、高水压等条件比较困难,因此实验研究主要侧重于发生机理的研究,同时为数值模拟的可靠性验证提供依据.随着现代计算机仿真模拟的发展,数值分析方法可以根据实际条件较好地反映大坝某处的实际应力状态,并且不受实验难以模拟的环境等诸多因素的影响,可在更加接近实际问题的前提下研究水力劈裂问题.
1水力劈裂的定义
水力劈裂名词的最早出现,不是由于发生不利影响而被人们注意,相反是由于在实际工程中发挥作用才广为人知.
可以说,水力劈裂是伴随工业的发展而发展的.
1947年,美国首次成功运用水力劈裂法解决油气井的增产问题,主要途径是运用水力劈裂技术使周围岩体产生裂缝,增加油气的渗透量.直至今日,该技术还在广泛应用,并且扩大到更广的范围,如岩土工程和水利工程等.1948年,CLARK[1]提出水力劈裂的概念并介绍水力劈裂法的应用.
1976年,美国Teton大坝发生事故,组织专家进行事故原因调查后,SEED[2]认为,大坝的破坏是由水力劈裂的发展而导致的,同时给出水力劈裂现象发生的本质性描述,指出水力劈裂的发生是由于水压力大于土体的抗拉强度与土体中的最小主应力之和而发生开裂破坏的一种现象.黄文熙[3]在1982年时给出关于水力劈裂的简洁而准确的定义:水力劈裂指由于水压力的抬高使得岩体或土体中产生裂缝并进一步扩展的一种物理现象.1984年,WILSON[4]也给出与黄文熙表达相近的定义,他描述水力劈裂是指由于岩体或土体表面存在水压力,当其超过一定压力值时,就会在岩体或土体中引起裂缝产生并使其进一步扩展的一种现象.
2水力劈裂发生机理
水力劈裂发生的机理,指水力劈裂在何种条件下如何产生.国内外学者对此进行过大量的探讨和研究.如KULHAWY等[5]全面分析大坝心墙两侧堆石体对心墙的拱效应作用,经过很多实验得出拱效应的存在是影响水力劈裂发生的重要条件之一.所谓的拱效应,指心墙的材料与两侧坝壳的材料相比,心墙材料的模量往往比两侧材料的模量低,因此大坝建成后心墙的沉降量较大,两侧坝体沿心墙上下游面会对心墙有向上的力的作用,从而使心墙竖直方向的力减小.吴子树等[6]在其文章中给出产生拱效应的判定方法:如果坝中某处心墙产生拱效应,且效应比较明显,那么该处心墙两边缘处的土压力是该处土柱自重压力的30%~50%,并且坝壳处测到的压力是自重压力的1.9倍.拱效应产生时心墙与两侧坝体相互间力的作用示意见图1.
3在水压作用下混凝土断裂的研究
混凝土在水利工程中的应用非常广泛,但是混凝土自身存在许多缺陷,如材料不均匀、存在初始裂纹等,很容易发生断裂损伤,特别是在高水压作用下的大坝中更是如此.[1213]混凝土的开裂对大坝的正常工作带来很大的潜在危险,非常有必要研究混凝土在水压作用下的性能表现,以评估大坝的安全性.BRHWILER等[1415]研究混凝土中水压力对裂纹的影响:混凝土中存在劈裂压力会减小断裂过程区域的大小;随着劈裂压力的增大,断裂性能参数GF和KIC都变小.
徐道远等[16]将混凝土坝看成一个损伤场,分析坝体混凝土的损伤及断裂损伤破坏机理,提出一种损伤断裂耦合模型,并用有限元程序分析混凝土在水压作用下的工作表现,得出结论:在发生断裂过程中,损伤与断裂两者是相互影响的,损伤的积累必将产生断裂,断裂的发展又将导致新的损伤.
李宗利等[17]研究岩体与混凝土水力劈裂后裂纹内的水压分布,根据流体的质量守恒定律和动量守恒定律,假定水力劈裂的裂纹为半椭圆形,推导出任意时刻裂纹内的水压分布微分方程,并进一步推导出裂纹处于稳定情况时的水压分布计算式;然后通过实验数据验证除裂纹缓慢开展的情况外,得到的计算式是正确的.
徐世烺等[18]设定4种水压,并将混凝土试件置于其中观察裂纹的开展情况,认为随着水压的增加,
混凝土试件所能承受的载荷减小,并且还认为高水压下混凝土试件所承受的最大载荷已经小于正常水压所能承受的载荷.
林凯生等[1920]认为混凝土中孔隙水压的存在对混凝土的耐久性能影响很大.用Abaqus软件分析混凝土的渗透损伤过程,结合工程实例分析,计算出孔隙水压的分布以及应力和位移的变化,认为大坝在水压作用下一定要考虑水的渗透作用,因为在渗透耦合作用下,应力明显增大.
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