碾压混凝土拱坝温度应力与诱导缝开裂

碾压混凝土拱坝温度应力与诱导缝开裂分析1碾压混凝土拱坝的发展概况与温度应力分析理论的研究现状碾压混凝土拱坝的发展概况碾压混凝土拱坝温度应力分析理论的进展2本文的工作与创新之处本文的研究属于国家自然科学基金资助项目：“碾压混凝土拱坝诱导缝等效强度研究”（50179002）的一部分3基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型

碾压混凝土拱坝温度场仿真计算方法碾压混凝土拱坝应力场仿真计算方法碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析沙牌碾压混凝土拱坝仿真计算分析

本文的主要工作4基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型碾压混凝土拱坝温度场仿真计算碾压混凝土拱坝应力场仿真计算碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析沙牌碾压混凝土拱坝仿真计算分析

创新点评价汇总与学位论文评阅意见创新点外审评价（6人）创新点创新突出有创新一34二24三24四15学位论文评阅意见(6人)评审项目优秀良好论文选题51文献综述51学术水平51理论与实践33论文写作335展望1、计算模型问题

如混凝土表面蒸发和冷凝计算模型、新老混凝土结合面初温赋值模型、混凝土仓面喷雾保护计算模型、精确的施工参数和环境参数描述模型等等。2、坝体开裂问题

II型I-III或者是I-II-III复合型开裂的研究有待深入以及如何把断裂力学的成果融入温度应力仿真计算中还需要做很多工作。3、仿真分析的可视化问题

4、温度应力分析与反分析的联合应用问题

使计算和计算结果处理同时进行，才有可能及时发现问题，解决问题，做到真正意义上的仿真。实现大坝温度场、应力场仿真分析和反分析的有机结合，建立从施工到运行的即时监控系统。使坝体各部位的温度应力处于即时监控状态，可以根据仿真分析和反分析的结果随时调整坝体的施工进度、施工方案和及时提出处理措施。

6请各位专家批评指正！谢谢大家！7一、碾压混凝土拱坝的发展概况碾压混凝土拱坝的发展（1）大坝与围堰名称拱形

坝高／m

坝顶长／m

坝址

河流

建设情况

大坝

Knellpoort

重力拱坝50.0200.00南非九河1988年建成Wolwedans重力拱坝70.0270.00南非大布雷克河1990年建成Paxton重力拱坝17.0－－－南非特苏尔武河已建成普定双曲拱坝75.0195.67中国贵州三岔河1994年建成温泉堡单曲拱坝48.0187.87中国河北汤河1994年建成溪柄溪一级单曲拱坝63.093.00中国福建溪柄溪1996年建成红坡重力拱坝55.2244.00中国云南沙朗河2000年建成龙首双曲薄拱坝80.0226.58中国甘肃黑河2001年建成沙牌单曲拱坝132.0250.25中国四川草坡河2003年建成石门子单曲拱坝109.0187.00中国新疆塔西河2001年建成8碾压混凝土拱坝的发展（2）一、碾压混凝土拱坝的发展概况大坝与围堰名称拱形

坝高／m

坝顶长／m

坝址

河流

建设情况

大坝蔺河口双曲拱坝100.0311.00中国陕西岚河正在建设白莲崖单曲拱坝102.0348.00中国安徽西淠河设计雷打滩重力拱坝84.0215.00中国云南漫水河设计玉舍单曲拱坝75.4221.00中国贵州南盘江设计围堰

岩滩上游围堰拱形重力54.3341.80中国广西红水河1988年建成隔河岩上游围堰拱形重力37.0170.00中国湖北清江1988年建成水东拱围堰单曲拱坝21.6132.85中国福建贡江1992年建成江垭上游围堰单曲拱坝36.0137.00中国湖南娄水1995年建成大朝山拱围堰双曲拱坝52.5175.50中国云南澜沧江1998年建成9碾压混凝土拱坝的发展（3）碾压混凝土拱坝分缝二、碾压混凝土拱坝筑坝技术的发展1、普定拱坝分缝方案上游面下游面10碾压混凝土拱坝的发展（4）碾压混凝土拱坝坝分缝二、碾压混凝土土拱坝筑坝技术术的发展2、溪柄溪拱坝坝分缝方案人工短缝缝布置置人工短缝缝构造造11碾压混凝土拱坝的发展（5）碾压混凝土拱坝坝分缝二、碾压混凝土土拱坝筑坝技术术的发展3、沙牌拱分缝缝方案12碾压混凝土拱坝的发展（6）碾压混凝土拱坝坝分缝二、碾压混凝土土拱坝筑坝技术术的发展1、南非的尼尔波特特(Knellpoort)拱坝和沃尔威威坦斯(Wolwedans)拱坝在拱坝上上下游沿轴线每每10m左右设设置1条诱导缝缝。2、普定拱坝采用了坝肩1道道诱导缝，坝体体2条诱导缝的的方案，但是，诱导缝运运行4年未见张张开，1998年坝体其他部部位却出现多处处裂缝。3、温泉堡拱坝设置了2条常规规横缝、2条诱诱导缝和1条常常规诱导混合缝缝，横缝于1993年3月张开，，最大达4.68mm，1994年3月5条设计横缝、诱导缝全部张开，1994年4月月进行灌浆，运运行后证实横缝缝结合效果较好好，未发现漏水水。1996年年3月，因部分分横缝张开再次次灌浆。4、溪柄溪拱坝拱冠冠设置3条、拱拱端2条人工短短缝，不设横缝缝，而仅在较高高部位设置一条条贯通横缝，人人工短缝改善了了坝体在温度和和水压下的应力力状态。5、沙牌拱坝采用“2条诱导导缝＋2条横缝缝”的组合方案案，实测结果表明沙沙牌拱坝分缝形形式是成功的。13碾压混凝土拱坝的发展（7）碾压混凝土拱坝坝施工技术二、碾压混凝土土拱坝筑坝技术术的发展碾压混凝土层面面结合与初凝时时间控制碾压混凝土斜层层平摊法浇筑技技术碾压混凝土拱坝坝温度控制美国早期标准为为碾压混凝土老老化小于2000℃•h；但事实证明，该该成熟度值偏大大，已建的几座座坝层间结合不不好，质量出现现问题。西班牙牙碾压混凝土施施工规定为200℃·h，英国BS则规定定为400℃·h，我国以初凝时间间作为施工铺筑筑间歇控制时间间，一般以6～～8h进行控制制，以4～6h为好。平铺的方向有平平行坝轴线和垂垂直坝轴线两种种，一般坡度为为1:10～1:20。采取取从下游开始铺铺筑，使层面倾倾向上游。预冷骨料,加冰冰用冷水拌制，，运输加遮阳棚棚，仓面喷雾，，加盖保温被等等手段降低浇筑筑温度。沙牌、石门子、、龙首夏季施工采用埋设高密度聚乙乙烯冷却水管，通冷却水可降低低碾压混凝土内内部温度3～5℃，对施工干扰小。14碾压混凝土拱坝温度应力分分析的进展（1）一、碾压混凝土土材料的本构模模型各向同性体、横横向各向同性体体、各向异性体体本构关系和破坏坏准则断裂特性在温度场、应力力场有限元计算算中，含有层面面的碾压混凝土土材料是作为各各向同性体、还还是横向各向同同性体、或者是是各向异性体来来处理？目前，，各向同性体和和横观各向同性性体假设占有上上风，由于计算算简单，各向同同性体假设应用用较为普遍。目前的试验研究究成果非常多，，但是各自的试试验都是针对具具体工程，由于于各工程所采用用的碾压混凝土土材料不同，使使得试验结果不不尽相同，不具具有普遍意义。。在碾压混凝土土的本构关系和和破坏准则理论论研究中，比较较有代表性的有有内时损伤本构构模型、基于神神经网络的剪切切本构模型、正正交异性损伤本本构模型、剪切切破环准则等。。在碾压混凝土材材料的断裂特性性研究方面，进进行了碾压混凝凝土I-II复复合型断裂和层层面徐变断裂试试验，进行了碾碾压混凝土层面面II型断裂的的数值模拟分析析，采用钝裂纹纹带模型进行了了碾压混凝土I型断裂的数值值模拟分析，关关于碾压混凝土土层面的I型、、II型、I-II复合型断断裂目前正在进进行深入的实验验和数值分析方方面研究，III型、I-III复合型、、I-II-III复合型断断裂方面的实验验研究才刚刚开开始。15碾压混凝土拱坝温度应力分分析的进展（2）计算规模与计算算速度问题材料参数描述问问题二、碾压混凝土土坝温度应力仿仿真分析存在的的问题仿真分析最主要要的难点就在于于：存储量计算算量大、运算速速度慢。朱伯芳芳的“扩网并层层算法”和“分区异步长长算法”，王建建江博士在“八八五”攻关项目目中提出了减少少网格数量的““非均质单元法法”，陈尧隆等等提出的三维有有限元温度应力力分析的浮动网网格法，赵代深教授提出出的混凝土温度应力力分析的多层动动态子结构方法法，黄达海的“波波函数法”。上述方法在提高高运算速度的同同时，也引起了了一些负效应。。模型中涉及到到“人工边界””的反复调整，，不可避免地使使用各类过渡单单元，使并层在在程序处理上遇遇到许多麻烦，，数据交换自动动化程序设计困困难重重，前处处理工作量让人人望而却步。碾压混凝土热学学参数主要指混混凝土的导温系系数、导热系数数、环境热交换换系数、绝热温温升变化等；力力学参数主要指指混凝土弹性模模量、抗压和抗抗拉强度、极限限拉伸值、徐变变度和自生体积积变形。混凝土土的绝热温升、、弹性模量、徐徐变度和自身体体积变形严重地地依赖着混凝土土的龄期，而且且热学和力学参参数也受混凝土土温度的影响，，这些因素使得得碾压混凝土大大坝应力场的计计算远比一般结结构复杂。16碾压混凝土拱坝温度应力分分析的进展（3）施工参数和环境境参数的描述问问题坝体损伤开裂问问题二、温度应力仿仿真分析存在的的问题施工参数包括施施工过程中的结结构几何模型、、施工过程中的的自然条件、施施工过程中的设设计变量等。结结构几何模型的的描述，完全受受控于施工进度度和施工方法。。设计人员在描描述这一问题时时，一般只提当当前月或者一个个连续施工期的的混凝土浇筑强强度，对于每天天中混凝土浇筑筑部位和浇筑层层厚，往往非常常模糊，至于每每个碾压层的浇浇筑时间、间歇歇时间、昼夜的的差别则更是难难以精确确定。。环境参数包括施施工期和运行期期的气温、水温温、地温、日照照、风速等经常常性参数，这些些资料都需要预预测，而如何描描述和使用这些些参数很不容易易。如果要精确跟踪踪裂缝的扩展，，应该在裂缝尖尖端划分较细的的网格，随着裂裂缝的扩展不断断的重新剖分网网格，直到裂缝缝穿透坝体最终终完全破坏。对于高拱坝的三三维分析模型，，如何跟踪裂缝缝的扩展，目前前在理论方面还还存在困难；如如果再考虑施工工过程中的网格格变化、温度、、徐变、自生体体积变形等因素素，问题将更为为复杂。对于诱导缝，目前的研究结果果都是假定为I型断裂，假设设诱导缝所在单单元的第一主应应力垂直缝面，，通过断裂力学学的方法建立应应力强度因子和和第一主应力的的关系，把断裂裂韧度判据转化化为等效强度判判据作为开裂准准则。17碾压混凝土拱坝温度应力分分析的进展（4）结果可视化问题题计算模型问题二、温度应力仿仿真分析存在的的问题仿真分析的输入入输出数据的处处理也是异常复复杂的，要获得得有代表意义的的计算结果，必必须配备强大的的前后处理器。。将结果用直观观的图形输出代代替数字输出。。基于ANSYS通用软件对有限元仿真计计算结果进行前前后处理，为仿仿真分析结果的的可视化提供了了一条新的解决决途径。在温度场计算模模型中，对于第第三类边界条件件的处理，一般般采用下面的公公式：由于混凝土表面面的蒸发和冷凝凝作用，也会有有热量散失，其其结果是相当于于在上式中加入入蒸发热量损失失项：目前关于日照、、蒸发和冷凝的的物理数学模型型还很不完善，，基本上还是根根据经验选取。。尤其是蒸发和和冷凝的的经验验资料也很少。。18碾压混凝土拱坝温度应力分分析的进展（5）碾压混凝土坝温温度应力分析理理论总结基于实验基础上上所建立的本构构模型和破坏准准则一般不具有有普遍适用性；；对于碾压混凝凝土层面破坏准准则的研究大多多数采用强度理理论，层面断裂裂的研究还处于于I型断裂方面，II型、I-II、I-III以及I-II-III复合型断裂方面面的试验和理论论研究刚刚起步步。温度场和应力场场数学力学模型型和计算方法基基本相同。应力场除个别文文献应用混凝土土粘弹塑性模型型和软化模型外外，大多数采用用混凝土粘弹性性本构模型；坝体损伤开裂分分析基本上采用用“强度”准则则的或者是基于于断裂理论的““强度”准则；；温度应力分析析和反分析相互互独立。简化与复杂并存存。一方面为减减少计算量和突突出主要问题，，尽可能使问题题简化，有的采采用简单的数学学力学模型；另另一方面力求仿仿真计算结果与与实际接近，在在仿真计算中考考虑诸多因素的的影响进行全过过程分析，总的的趋势是向复杂杂方向发展。19创新点一基于应变空间的的碾压混凝土各各向异性损伤本本构模型根据碾压混凝土土材料的力学特特性和损伤拉压压显著不同的特特点，分别在拉拉应变和压应变变空间建立了碾碾压混凝土的本本构关系和损伤伤演化方程。在在拉应变空间，，考虑弹性与损损伤耦合；在压压应变空间，考考虑弹塑性与损损伤耦合。应用用正交各向异性性损伤理论描述述碾压混凝土的的刚度退化和应应变软化，应用用内时理论来描描述碾压混凝土土的弹塑性特性性，建立了复杂杂应力状态下的的碾压混凝土弹弹塑性损伤本构构模型。20基于应变空间的碾碾压混凝土各向异异性损伤本构模型型（1）1、本构关系的建建立在复杂应力状态下下，将应变张量分分解成拉应变和压压应变形式：其中为应变正特征值（（拉主应变），为应变负特征值（（压主应变）。相相应和为拉、压主应变产产生的主应力值：：Sidoroff能量等价原理1.1复杂应力状态下的的本构关系1.2有效／名义应力应应变关系Lemaitre应变等价原理21基于应变空间的碾碾压混凝土各向异异性损伤本构模型型（2）2、拉应变空间的的本构模型假设损伤主轴、拉拉应变主轴、拉应应力主轴相互重合合；各正交主轴方方向损伤相互无影影响；损伤为弹性性损伤。可得主轴轴坐标系下拉空间间受损混凝土材料料全量形式的本构构关系：2.1正交各向异性损伤伤本构模型总体坐标系下拉空空间受损混凝土材材料全量形式的本本构关系：总体坐标系下拉空空间受损混凝土材材料增量形式的本本构关系：22基于应变空间的碾碾压混凝土各向异异性损伤本构模型型（3）2、拉应变空间的的本构模型在拉应变空间，破破坏时没有残余应应力存在，损伤变变量的最大值为1.0，卸载过程程中，没有损伤积积累，损伤变量是是非减函数：2.2损伤演变方程A、B为曲线参数数，为拉应应力峰值点处的割割线模量23基于应变空间的碾碾压混凝土各向异异性损伤本构模型型（4）3、压应变空间的的本构模型3.1内蕴时间的定义内蕴时间是表征变变形中材料特性和和变形程度的一个个非减标量。对于碾压混凝土材料，其塑塑性体积应变主要要来自微裂缝的影影响，如果把微裂裂缝影响（它所引引起的混凝土的软软化、体积膨胀、、弹塑性耦合及塑塑性体积应变）作作为损伤问题分离离出来，且不考虑虑塑性偏应变与塑塑性体积应变在形形成广义内摩擦力力时的耦合效应。为考虑循环加、卸卸载的系数为内蕴时间标度为内蕴时间量度24基于应变空间的碾碾压混凝土各向异异性损伤本构模型型（5）3、压应变空间的的本构模型3.2弹塑性内时本构关关系在压应变空间，考考虑弹塑性与损伤伤耦合，忽略静水水压应变的塑性部部分，得到偏量形形式的本构方程：：写成矩阵形式：加载函数：可得本构方程如下下：25基于应变空间的碾碾压混凝土各向异异性损伤本构模型型（6）3、压应变空间的的本构模型在压应变空间，破破坏时有残余应力力存在，损伤变量量的最大值小于1.0，卸载过程程中，没有损伤积积累，损伤变量是是非减函数：3.3损伤演变方程A、B为曲线参数数，为压应应力峰值点处的割割线模量26基于应变空间的碾碾压混凝土各向异异性损伤本构模型型（7）4、模型计算结果果与试件结果的比比较（1）碾压混凝土试件尺尺寸cm，层面处理试件，材材料参数为：，，，，，，，，，,。图1-1模型计计算结果与实验值值的比较(单轴拉拉伸)图1-2模型型计算结果与实验验值的比较(单轴轴压缩)图1-3模型计计算结果与实验值值的比较(双轴压压)a=0.2527基于应变空间的碾碾压混凝土各向异异性损伤

本构模模型（8）4、模型计算结果果与试件结果的比比较（2）图1-4模型型计算结果与实验验值的比较(双轴轴压)a＝0.5图1-5模型计计算结果与实验值值的比较(双轴压压)a＝0.75图1-6模型计计算结果与实验值值的比较(双轴压压)a＝1.0图1-7模型型计算结果与实验验值的比较(双轴轴拉压)a＝－0.05图1-8模型型计算结果与实验验值的比较(双轴轴拉压)a＝－0.128创新点二碾压混凝土拱坝温温度场仿真计算方方法1、碾压混凝土浇浇筑层初始温度和和绝热温升计算根据碾压混凝土坝坝薄层碾压、连续续均匀上升的施工工特点，考虑各碾碾压层混凝土浇筑筑时间和水化热散散发时间的不同，，应用Laplace变换法和叠叠加原理求出了多多层板状结构体的的温度场理论解答答，然后以此解析析解为基础，合并并多个碾压层为一一个浇筑层，建立立了温度场等效模模型，提出了复合合浇筑层的等效初初始温度和等效绝绝热温升的计算方方法。2、大体积混凝土土不稳定温度场求求解的迭代算法根据差分法求解的的基本特点，应用用拉格朗日中值定定理，提出一种迭迭代算法，在适当当加大时间步长的的同时，保证了求求解精度，或者在在时间不长不变的的情况下，提高求求解精度。29碾压混凝土拱坝温温度场仿真分析方方法（1）1、碾压混凝土浇筑层层初始温度和绝热热温升计算1.1二层混凝土浇筑体体温度场dD情况①情况②情况③情况④碾压层厚度仅为0.3～0.5m，每天连续施工工5～6层，层面面暴露时间为3～～4小时，间歇期期为4～5天。如如果把一天甚至一一个连续施工期内内浇筑的多个碾压压层当作一个浇筑筑层来计算，该浇浇筑层的初始温度度和绝热温升该如如何选取？30碾压混凝土土拱坝温度度场仿真分分析方法（2）1、碾压混凝土土浇筑层初初始温度和和绝热温升升计算1.2多层混凝土土浇筑体温温度场dD情况⑤情况⑥情况③情况④DD31碾压混凝土土拱坝温度度场仿真分分析方法（3）1、碾压混凝土土浇筑层初初始温度和和绝热温升升计算1.3等效初始温温度和绝热热温升计算算假设：1、浇筑层层的龄期从从最后浇筑筑的碾压层层浇筑完毕毕时刻算起起。2、在浇筑筑层形成的的时间段内内，不考虑虑各复合浇浇筑层混凝凝土之间的的热量交换换。3、把各碾碾压层暴露露在大气中中的时间之之和简化为为由一个浇浇筑层暴露露在大气中中的时间。。这相当于于在计算初初始温度时时不考虑层层面暴露时时间，把这这部分时间间计入浇筑筑层形成后后的暴露在在大气中的的时间。4、均匀考考虑日照的的影响，相相当于平均均气温和气气温变化幅幅值增加。。等效初始温温度：等效绝热温温升：32碾压混凝土土拱坝温度度场仿真分分析方法（4）1、碾压混凝土土浇筑层初初始温度和和绝热温升升计算1.4算例碾压混凝土土浇筑层温温度场分布布与时间过过程曲线1d2d5d10d20d时间日平均气温（）1day15.2

2day15.66

5day16.35

10day17.5

20day19.79

大气温度变变化表33碾压混凝土土拱坝温度度场仿真分分析方法（5）2、大体积混凝凝土不稳定定温度场求求解的迭代代算法2.1误误差形成示示意图：理论解向前差分向后差分中点差分T~t曲线线34碾压混凝土土拱坝温度度场仿真分分析方法（6）2、大体积混凝凝土不稳定定温度场求求解的迭代代算法2.2迭迭代算法：：已知在在时间域域上连续并并可导，那那么由拉格格朗日微分分中值定理理可知，，在和和之之间至少少存在一点点，使使得：设则得不稳定定度场有限限元格式解解（用迭代代法求解））35创新点三碾压混凝土土拱坝应力力场仿真计计算方法应用温度损损伤和温度度对徐变的的影响建立立了考虑温温度影响的的混凝土弹弹性模量表表达式和徐徐变应变计计算的递推推公式，应应用粘弹性性与损伤耦耦合和正交交各向异性性损伤理论论描述了混混凝土在高高应力水平平下的非线线性徐变特特性和由于于微裂缝扩扩展引起的的刚度退化化和应变软软化，建立立了考虑温温度影响的的大体积混混凝土结构构应力场分分析的粘弹弹性有限元元表达式。。36碾压混凝土土拱坝应力力场仿真分分析方法（1）1、考虑温度影影响的应力力场粘弹性性分析方法法1.1考考虑温度影影响的混凝凝土弹性模模量在温度小幅幅变化范围围内，温度度损伤即混混凝土弹性性模量的降降低可以拟拟合为温差差的多项式式函数：温升差(°C)510152025303540弹模损伤实验值0.0110.0220.0320.0430.0530.0630.0780.113温降差510152025303540弹模损伤实验值0.0170.0320.0480.0670.0880.1110.1340.161表4-1温温度变变化时混凝土弹性性模量损伤实验值［16］37碾压混凝土土拱坝应力力场仿真分分析方法（2）1、考虑温度影影响的应力力场粘弹性性分析方法法1.2考考虑温度影影响的混凝凝土徐变度度则徐变应变变增量递推推公式如下下：设考虑温度度影响的混混凝土徐变变度表示如下：按照上述递递推公式对对大体积混混凝土结构构进行数值值计算时，，不必记录录应力历史史。38碾压混凝土土拱坝应力力场仿真分分析方法（3）1、考虑温度影影响的应力力场粘弹性性分析方法法1.2考考虑温度影影响的混凝凝土徐变度度文献［11］的试验验资料：在在混凝土试试件14天天恒温在20∘C，，然后开始始加温到40∘C、、62∘C、、80∘∘C，龄龄期15天天加载，保保持试件恒温，，测得变形形如图1。。混凝土应变－时间曲线20ºC40ºC62ºC80ºCµε39碾压混凝土土拱坝应力力场仿真分分析方法（4）1、考虑温度影影响的应力力场粘弹性性分析方法法1.3复复杂应力状状态下大体体积混凝土土粘弹性有有限元表达达式总体坐标系系下受损材料的的增量形式式本构方程程如下：主轴坐标系下受受损材料的的增量形式式本构方程程如下：大体积混凝凝土应力场场考虑温度度影响的非非线性粘弹弹性有限元元方程：40创新点四碾压混凝土土拱坝诱导导缝损伤开开裂分析通过多组不不同削弱度度的深埋椭椭圆裂缝、、深埋矩形形裂缝、穿穿透裂缝三三种形式的的碾压混凝凝土试件轴轴拉试验结结果，建立立了深埋矩矩形裂缝碾压混凝土土试件的应力强度度因子的近近似解析表表达式，采采用虚拟裂裂缝模型和和连续损伤伤力学方法法，计算了了断裂过程程区的长度度和损伤度度。根据碾碾压混凝土土拱坝诱导导缝构造特特点，考虑虑相邻裂缝缝的影响，，应用双K断裂准则则，计算了了诱导缝起起始扩展和和失稳扩展展时的等效效强度、等等效应变和和等效损伤伤度，建立立了碾压混混凝土拱坝坝诱导缝的的损伤开裂裂准则。41碾压混凝土土拱坝诱导导缝损伤开开裂分析（1）1、单轴拉伸试试验试验概况：：组成用量:kg/m3水泥(425#)383河砂(细度模数2.6~2.8)663石子(5~20mm)1154水193粉煤灰(一级)90外加剂(DK-5)0.75％力学性能:ft=

1.765MPaE0=19GPaµ=0.18预留缝类型试件尺寸LXWXt(mm)预留缝尺寸2cX2a(mm)Pmax(kN)550X150X150椭圆形预留缝70X10038.2165x10040.2160x9042.8255X8543.06穿透预留缝51X15032.243.4X15035.9836X15040.1231.2X15044.95矩形预留缝70X10032.4865x10035.3760x9040.255X8542.08试件材料参数42碾压混凝土土拱坝诱导导缝损伤开开裂分析（2）1、单轴拉伸试试验试验概况：：试件破坏照照片试件加载与与数据采集集Grab采集系统东华数据采集系统传感器1传感器2应变片夹式位移计试件图5-1数据采集系和加载装置Fig.5-1SchematicplanofDataacquisitionsystem43碾压混凝土土拱坝诱导导缝损伤开开裂分析（3）1、单轴拉伸试试验矩形诱导缝缝应力强度度因子和碾碾压混凝土土断裂韧度度计算当试件高度度大于2m时，混凝凝土断裂韧韧度趋于稳稳定考虑尺尺寸效应后后，碾压混凝凝土的断裂裂韧度假设深埋矩形形预留缝试试件的应力力强度因子子可以由深深埋椭圆预预留缝或穿穿透预留缝缝试件的应应力强度因因子通过修修正系数求求得：是简化为穿穿透形裂缝缝的削弱面面积增加率率是矩形裂缝缝的面积削削弱率44碾压混凝土土拱坝诱导导缝损伤开开裂分析（4）2、碾压混凝土土断裂模型型单直线模型型双直线模型型2.1应变变软化模型型：2.2沙牌牌碾压混凝凝土试验参参数：断裂能(N/m)泊松比弹性模量(GPa)10-3mmc1c2129.00.1819.027.50.7530.16745碾压混凝土土拱坝诱导导缝损伤开开裂分析（5）2、碾压混凝土土断裂模型型断裂过程区区有效裂缝缝长度(闭闭合力单直直线分布)2.3断裂裂过程区模模型图5-9断裂过程区应变、刚度分布(双直线模型)图5-8断裂过程区应变、刚度分布(单直线模型)断裂过程区区应变、割割线模量分分布46碾压混凝土土拱坝诱导导缝损伤开开裂分析（6）2、碾压混凝土土断裂模型型断裂过程区区应变单直直线分布2.3断裂裂过程区等等效损伤度度计算断裂过程区区损伤度计计算单直线模型

1.540.651双直线模型1.080.1820.70.30.1670.080.688断裂过程区区应变双直直线分布47碾压混凝土土拱坝诱导导缝损伤开开裂分析（7）3、沙牌诱导缝构造造诱导缝典型型布置碾压层诱导缝模板(对接)诱导缝缝面流向诱导缝断面诱导缝断面诱导缝计算算简图无无限限大板穿透透裂缝模型型无无限大体体深埋椭圆圆裂缝模型型48碾压混凝土土拱坝诱导导缝损伤开开裂分析（8）4、沙牌诱导缝等效效强度计算算(1)修正正无限大板板穿透裂缝缝模型(2)修正正无限大体体深埋椭圆圆裂缝模型型无限大板穿透裂缝模型无限大体深埋椭圆裂缝模型a/w=0.333上游面a/c=0.1坝体中部a/c=0.3下游面a/c=0.15单直线模型双直线模型单直线模型双直线模型单直线模型双直线模型单直线模型双直线模型0.4930.4930.4930.4930.4930.4930.4930.4931.051.051.051.051.051.051.051.050.950.95－－－－－－－－－－－－－－－－1.121.121.121.121.121.120.2660.280.2660.280.2660.280.2660.28－－－－1.01481.01481.09651.09651.03141.03140.540.530.490.480.5690.560.5360.526采用值49碾压混凝土土拱坝诱导导缝损伤开开裂分析（9）5、沙牌诱导缝等效效应变计算算(1)修修正无限大大板穿透裂裂缝模型(2)修修正无限大大体深埋椭椭圆裂缝模模型采用值50碾压混凝土土拱坝诱导导缝损伤开开裂分析（10）5、沙牌诱导缝等效效应变计算算无限大板穿透裂缝模型无限大体深埋椭圆裂缝模型a/w=0.333上游面a/c=0.1坝体中部a/c=0.3下游面a/c=0.15单直线模型双直线模型单直线模型双直线模型单直线模型双直线模型单直线模型双直线模型0.4930.4930.4930.4930.4930.4930.4930.4930.2160.2150.2160.2150.2160.2150.2160.2151.051.051.051.051.051.051.051.050.950.95－－－－－－－－－－－－0.2660.2661.121.121.041.041.041.04－－－－1.01481.01481.09651.09651.03141.03141.2861.2861.2861.2861.2861.2861.2861.2860.220.220.220.220.220.220.220.221.651.7071.651.7071.651.7071.651.7070.3720.3940.3720.3940.3720.3940.3720.3940.4060.4040.350.3480.4060.4040.3820.380.8920.90.7680.7750.8940.9020.840.84851沙牌碾压混混凝土拱坝坝温度应力力仿真计算算分析（1）根据沙牌工工程的大坝坝几何尺寸寸、环境参参数、材料料参数、施施工参数和和蓄水参数数，进行了了沙牌碾压压混凝土拱拱坝施工期期和运行期期的温度场场和应力场场计算。根根据施工期期仿真计算算结果结合合大坝施工工期的部分分观测资料料，分析了了坝体施工工期温度场场和应力场场的分布特特点和变化化规律，以以及大坝的的损伤开裂裂情况和诱诱导缝的张张开时间，，为沙牌大大坝后期施施工提出了了建议；根根据运行期期仿真计算算结果对蓄蓄水后坝体体温度场、、应力场变变化规律和和损伤开裂裂情况进行行了分析。。52沙牌碾压混混凝土拱坝坝温度应力力仿真计算算分析（2）1沙牌拱坝温度场场仿真计算算成果分析析1.1坝坝体施工期期和运行期期最高温度度场分布施工期最高高温度场分分布运行期最高高温度场分分布整个施工工期历时时1159天（（1999年3月29日～2002年5月月31日日）,坝坝体最高高温度达达38.824°C,整个个施工期期间共出出现四次次峰值，，第一次次34.87°C,（1999年4月月24日日,1745高高程）;第二次次38.7°C,（1999年9月月14日日,1758高高程）;第三次次35.5°C,（2001年6月月7日,1790高程程）;第第四次38.824°C（2002年年8月8日,1818高程））。运行行期最高高温度35.1°C（考虑虑日照影影响）。。53沙牌碾压压混凝土土拱坝温温度应力力仿真计计算分析析（3）1沙牌牌拱坝温度度场仿真真计算成成果分析析1.2特特征点点温度－－时间分分布规律律1746高程拱拱冠梁中中心点温温度－时时间过程程线取拱冠梁梁剖面中中心点1746、1776、、1798、1824、1842高高程的5点，对对其温度度变化进进行对比比分析，，由于只只有施工工期的部部分实测测资料，，考虑到到环境、、材料、、施工等等各种影影响因素素的随机机型和不不确定性性，总的的来说计计算值与与实测值值的符合合还是不不错的。。1776高程拱拱冠梁中中心点温温度－时时间过程程线54沙牌碾压压混凝土土拱坝温温度应力力仿真计计算分析析（4）1沙牌牌拱坝温度度场仿真真计算成成果分析析1.2特特征点点温度－－时间分分布规律律1798高程拱拱冠梁中中心点温温度－时时间过程程线1824高程拱拱冠梁中中心点温温度－时时间过程程线1842高程拱拱冠梁中中心点温温度－时时间过程程线55沙牌碾压压混凝土土拱坝温温度应力力仿真计计算分析析（5）1沙牌牌拱坝温度度场仿真真计算成成果分析析1.3大大坝拱拱冠梁温温度分布布规律第370天(2000年3月13日)第1260天(2002年8月21日)[第一次次蓄水前前10天天]第1125天(2002年4月7日日)第1280天(2002年9月1日日)[第一次次蓄水后后10天天]第1400天(2000年3月13日)56沙牌碾压压混凝土土拱坝温温度应力力仿真计计算分析析（6）1沙牌牌拱坝温度度场仿真真计算成成果分析析1.3大大坝拱拱冠梁温温度分布布规律第2330天(2005年7月31日)第1550天(2003年年6月9日)[第二次蓄水水前10天]第1610天天(2003年年8月7日)[第二次蓄水水后10天]第1770天天(2004年年1月15日日)第1960天天(2004年年7月25日日)57沙牌碾压混凝凝土拱坝温度度应力仿真计计算分析（7）2沙牌拱坝应力场仿仿真计算成果果分析2.1左右两两岸不同高程程上下游面应应力—时间曲曲线左右两岸坝肩肩的主拉应力力（第一主应应力）有相同同的变化规律律，在坝体温温度上升期间间（进入夏季季）主拉应力力逐渐减小，，在坝体温度度下降期间（（进入冬季））主拉应力逐逐渐增大。1758高程程左右岸上游游面存在较大大拉应力，施施工期间会出出现开裂，蓄蓄水后主拉应应力明显减小小；1790高程左右两两岸下游面存存在较大拉应应力，会出现现开裂；1842高程左左右两岸下游游面存在较大大拉应力，但但是由于1818高程以以上设置横缝缝，使得坝肩肩应力状况得得到明显改善善。图6-191758高程右岸上游面应力－时间曲线(MPa)(day)图6-201758高程右岸下游面应力－时间曲线(MPa)(day)图6-211758高程左岸上游面应力－时间曲线(MPa)(day)图6-221758高程左岸下游面应力－时间曲线(MPa)(day)58沙牌碾压混凝凝土拱坝温度度应力仿真计计算分析（8）2沙牌拱坝应力场仿仿真计算成果果分析2.1左右两两岸不同高程程上下游面应应力—时间曲曲线(MPa)(day)图6-231790高程右岸上游面应力－时间曲线(MPa)(day)图6-241790高程右岸下游面应力－时间曲线图6-251790高程左岸上游面应力－时间曲线(MPa)(day)图6-261790高程左岸下游面应力－时间曲线(MPa)(day)图6-271824高程右岸上游面应力－时间曲线(MPa)(day)(MPa)(day)图6-281824高程右岸下游面应力－时间曲线图6-291824高程左岸上游面应力－时间曲线(MPa)(MPa)day图6-301824高程左岸下游面应力－时间曲线59沙牌碾压混凝凝土拱坝温度度应力仿真计计算分析（9）2沙牌拱坝应力场仿仿真计算成果果分析2.2坝面上上下游应力分分布情况左右坝面主应应力具有大致致对称性。横横缝的作用非非常明显，1810高程程以上由于设设置横缝，坝坝体应力分布布出现明显分分区，有效地地削减了左右右岸坝肩、坝坝面的拉应力力；诱导缝的的作用虽不如如横缝显著，，但从云图中中可以看出，，坝体应力也也出现明显分分区，诱导缝缝也有效地消消减了坝体应应力，使坝体体拉应力处于于可控制范围围内。在整整个施工期间间，上游面拉拉应力分布情情况略好于下下游面，蓄水水后上游面拉拉应力明显减减小。图6-31上游面面1040天天（2002年1月12日）图6-32下游面面1040天天（2002年1月12日）60沙牌碾压混凝凝土拱坝温度度应力仿真计计算分析（10）2沙牌拱坝应力场仿仿真计算成果果分析2.2坝面上上下游应力分分布情况图6-33上游面面1260天天(2002年8月21日)[第一一次蓄水前10天]图6-34下游面1260天(2002年年8月21日日)[第一次次蓄水前10天]图6-35上游面1280天(2002年年9月10日日)[第一次次蓄水后10天]图6-36下游面1280天(2002年年9月10日日)[第一次次蓄水后10天]61沙牌碾压混凝凝土拱坝温度度应力仿真计计算分析（11）2沙牌拱坝应力场仿仿真计算成果果分析2.2坝面上上下游应力分分布情况图6-37上游面面1770天天（2004年1月15日）图6-37下游面面1770天天（200