重力坝专题幻灯片.ppt

第三讲：重力坝的裂缝分析4 高坝事故的原因4 混凝土裂缝的类型及产生的原因分析4 混凝土初裂判别标准4 混凝土断裂力学1参考书1.陈宗梁编著，《世界超级高坝》，中国电力出版社， 1998.1, 35-402.龚召熊主编， 《水工混凝土的温控与防裂》，中国水利水电出版社， 1999.53.于骁中主编， 《岩石和混凝土断裂力学》，中南工业大学出版社， 1991.1221.高坝事故的原因 世界上200m以上高坝建设中虽未有过垮坝，也发过一些严重的问题和重大事故，造成人员伤亡和巨大的经济损失 (参见：陈宗梁编著《世界超级高坝》，中国电力出版社，1998.1 , 35-40) 下面为一些导致事故产生的原因31. 高坝事故的原因1)库岸滑坡库岸滑坡库岸滑坡库岸滑坡————意大利瓦依昂意大利瓦依昂意大利瓦依昂意大利瓦依昂l双曲拱坝，坝高262ml基岩为石灰岩，分布有薄层泥夹层和夹泥层，岩石节理裂隙发育，岸边岩层倾向河床l1957年施工，1960年2月水库蓄水l1963年10月9日岸坡下滑速度为25cm/d，当晚22时41分左岸坡突然发生整体滑落，范围为长2.0km，宽1.6km，滑坡体总为2.7亿m3,历时30-45s,淤积体高出库水面150m。

41. 高坝事故的原因1)库岸滑坡库岸滑坡库岸滑坡库岸滑坡————意大利瓦依昂意大利瓦依昂意大利瓦依昂意大利瓦依昂(Vajont)(Vajont)l滑坡时产生250m高的冲浪，下泄洪水流速达280km/h,约有1.15亿m3的库水被掀起l死亡2600余人l涌浪对拱坝形成约为4000万KN的动荷载，相当于8倍的设计荷载l左坝肩坝顶有一段长约9米，高约1.5米的范围有损伤5瓦依昂拱坝瓦依昂拱坝671. 高坝事故的原因2)坝体严重裂缝坝体严重裂缝坝体严重裂缝坝体严重裂缝————奥地利柯恩布莱因奥地利柯恩布莱因奥地利柯恩布莱因奥地利柯恩布莱因l双曲拱坝,坝高200m，厚高比为0.18l1977年建成l1978年当水位上升至180m水头时，大坝发生了严重裂缝，坝踵先后出现了深度为8-9m的垂直裂缝和贯穿到基础的斜裂缝，裂缝从基础中部裂开，逐步发展到上游面，坝基以上18m处裂缝长度达100m81. 高坝事故的原因2)坝体严重裂缝坝体严重裂缝坝体严重裂缝坝体严重裂缝————奥地利柯恩布莱因奥地利柯恩布莱因奥地利柯恩布莱因奥地利柯恩布莱因l坝基扬压力上升到全水头,大坝已失去原有的承载能力l加固方案：建支撑坝，分担20%的推力，坝高70m，46万m3, 为原坝的1/3。

9Kolnbrein arch dam10 Kolnbrein arch dam11 Kolnbrein arch dam122）坝体严重裂缝）坝体严重裂缝l美国德沃歇克 (Dworshak)重力坝，坝高219ml1973年建成，9月开始蓄水，9个坝段陆续发生严重的横向垂直裂缝，裂缝最大宽度为1.65mm，渗水较大l原因：与大坝表层混凝土水泥用量多有关，严寒气温和低温库水产生的极限温度变化，使混凝土表面发生拉应力和裂缝张开，再加上满库时水压力很大，在裂缝内形成劈力—水力劈裂132）坝体严重裂缝）坝体严重裂缝l中国三峡重力坝，坝高181ml2000年12月发现有6个泄水坝段出现劈头裂缝2001年12月所有已建23个泄水坝段均出现劈头裂缝l裂缝长40m左右，最大宽度0.3mm，共计80条l原因：1）气温条件恶劣，表面保温不严格；2）并缝板设计不当；3）混凝土材料抗裂性能差14中国三峡重力坝裂缝裂缝15中国三峡重力坝-修复后161.高坝事故的原因 3)施工围堰漫水冲毁施工围堰漫水冲毁施工围堰漫水冲毁施工围堰漫水冲毁 l 前苏联 Rogun 斜心墙土石坝，坝高335m。

l在建工程，因国内政治原因进展缓慢l在围堰完成前，一条隧洞因塌方被堵，于1993年5月遇暴雨，上游围堰漫顶，洪水流量3800m/s, 洪峰流量7700m/sl冲毁基坑和工作塔171.高坝事故的原因4)泄洪建筑物空蚀破坏泄洪建筑物空蚀破坏 l 伊朗卡比尔(Kebir)双曲拱坝，坝高200ml1977年建成l大坝左岸布置有坝端滑雪式泄洪道，流量为1.92万m3/s,l1977~1978 年汛期开始泄洪，每孔泄100 m3/s时，泄洪道因补气不足发生 严重气蚀181. 高坝事故的原因5））防渗帷幕设计有误防渗帷幕设计有误 l 美国胡佛(Hoover)重力拱坝l由于帷幕设计深度不够，导致重新再做深的帷幕和新的排水系统l原帷幕深45.7m，新帷幕最大深度为146.32ml原因是水文地质与工程地质情况研究不够19Hoover Dam（（Structural Height 726.4 ft,Hydraulic Height 576 ft,Crest Length 1,244 ft,Crest Width 45 ft,Base Width 660 ft,Volume of Concrete 4,400,000 cu yd））4 201.高坝事故的原因6 6）消力池冲刷破坏）消力池冲刷破坏）消力池冲刷破坏）消力池冲刷破坏 9.1m 226m 1:0.8 190ml 印度巴克拉(BhaKra)重力坝，坝高226m，l1963年建成。

l经过最大流量为 2830m3/s的78天运行后，曾发生消力池底板严重冲毁破坏，冲深达70m216）消力池冲刷破坏）消力池冲刷破坏l 五强溪水电站：混凝土溢流坝，坝高85.83ml设计水位111.62m，下泄总流量约44000 m3/s，校核水位114.7m,下泄总流量约54000m3/sl 下泄流量大，泄洪时上下游水位差约40m, 水流Froude数为 3～4，这给下游消能防冲带来一定难度l 采用“宽尾墩消力池” 和“宽尾墩底孔挑流消力池”新型联合泄洪消能方案22五强溪水电站右消力池23l 在溢流坝段布置了9个表孔，位于河床左侧，被泄洪中孔泄槽分隔为右3孔和左6孔，尾墩扩散角为17.526°，出口宽度7.0m，溢流孔宽度收缩比为0.368尾部是反弧半径20m、挑角45°的反弧挑流鼻坎，坝下消力池总长120m，被中孔泄槽分隔为左、右消力池l 消力池底板下的基岩由前震旦纪板溪群砂岩、石英岩、板岩和千枚状板岩组成，岩层厚104.38m，岩体节理裂隙较发育，纵横交错分布，属Ⅲ类岩体，岩石抗冲流速为5～6m/s五强溪水电站右消力池底板块失事（续）24五强溪水电站右消力池底板块失事(续）l 该工程属一等工程，1991.11一期工程截流，1996年底完建。

l1996.7出现了2 次40000 的洪峰，为了下游安全，严格控制下泄流量不超过26400 ，使库水位被迫抬高超出正常蓄水位5.62m, l由于当时工程尚未完建，闸门无法做到均匀、同步、对称开启运行，致使消力池较长时间处于一种十分恶劣的水流运行状态25五强溪水电站右消力池底板块失事(续）l洪水过后，发现右消力池部分底板块被水流掀起冲走，基岩冲坑深度超过30ml原因： — 混凝土施工质量； — 冲坑计算； — ……26二.混凝土裂缝的类型及产生的原因分析1)1) 发生和发展过程：发生和发展过程：发生和发展过程：发生和发展过程： 五十年代末，通过对丹江口水库大坝混凝土裂缝的分析, 认识到贯穿性裂缝的形成基本上都是:l 由表面裂缝发展的结果，表面裂缝绝大部分又都是在气温骤降期间发生;l如果已裂坝块长期暴露，随着内部温度的继续下降，表面裂缝绝大部分又将不断向纵深发展，直至形成贯穿性裂缝;l外荷作用导致裂纹进一步扩展27二.混凝土裂缝的类型及产生的原因分析(续)2)产生温度应力的原因：产生温度应力的原因：产生温度应力的原因：产生温度应力的原因： 由于变形约束而产生, 约束包括： ①基础混凝土在降温过程中受基岩或老混凝土的约束； ②由非线性温度场引起各基岩或老混凝土的约束； ③气温骤降时，表层混凝土的急剧收缩变形，受内部 热胀冷缩的约束，这种约束虽然也属于内部约束， 但它的降温时间短，变形收缩快，所以更容易开裂。

28二.混凝土裂缝的类型及产生的原因分析(续)3)温度裂缝的类型温度裂缝的类型温度裂缝的类型温度裂缝的类型：（常见说法）4基础贯穿裂缝4深层裂缝4表面裂缝4网状裂缝4劈头缝 29二.混凝土裂缝的类型及产生的原因分析(续)4)与表面裂缝有关的影响因素与表面裂缝有关的影响因素与表面裂缝有关的影响因素与表面裂缝有关的影响因素： 坝块表面裂缝的发生和发展，不仅和坝块的温度、 混凝土的强度与浇筑质量、混凝土的龄期、外界气温、结构形式和坝块尺寸等有关，也和坝块在施工过程中所处的位置、拆模时间等有密切的关系304）与表面裂缝有关的影响因素）与表面裂缝有关的影响因素： ①气温骤降——主要原因： 气温骤降是以相邻日平均气温的差值，此差值大到一定程度，就会引起混凝土表面裂缝C左右) 丹江口27#-5坝块，利用应变计测温度变化的应变，6d时中心与表层的温差为1. 6C, 该坝坝宽16.5m, 而在9d时，相对6d的日平均气温下降了8C，坝块中心的温度变化和应变变化都较小，但内外的温差和应变却较大，如 测值表 所示。

因此，当气温骤降超过7C时，应进行表面保护31丹江口工程27#-5坝块测值表测点距表面距离(m)6d测值9d测值9d - 6d值温度 (C)应变( u)温度 (C)应变( u)温度 (C)应变( u)10.80 30.8 -3530.1 -35-0.7020.25 29.8-627.430-2.43630.05 29.2024.350-4.950324）与表面裂缝有关的影响因素）与表面裂缝有关的影响因素： ②混凝土的龄期： 表面裂缝的发生，还有一条明显的规律，就是绝大部分发生于龄期6d以后，在此龄期之前，即使遭遇气温骤降也不产生裂缝(混凝土在这一段时间正处于热胀受压状态），详见下表：混凝土龄期(d)≤56~1011~1516~2021~2828~40裂缝条数23023821百分数(%)345351232备注截面突变处334）与表面裂缝有关的影响因素）与表面裂缝有关的影响因素： ③坝块承受气温骤降的临界幅度： 临界幅度与坝块大小有关： △ 宽为10m以下的坝块，与骤降大小无关，不出现裂缝； △ 15~18m, 为9。

C； △ 24m, 为8C； △ 30m, 为7.5C 对于一定尺寸的坝块，其承受气温骤降的能力是随混凝土龄期的增加而提高，以6~8d所能承受气温骤降的能力为最低，把这 一最低值作为坝块受气温骤降袭击的临界幅度789龄期d骤降68 10344）与表面裂缝有关的影响因素）与表面裂缝有关的影响因素： ④裂缝条数与坝块尺寸的关系： 裂缝的条数随坝块尺寸的增加而增加，其位置多在坝块的长边的中部，三分点或四分点处，把坝块的暴露面分成长宽几乎相等的几个块体 宽为15~18m的坝块，在长边的中部出现一条裂缝； 20~25m的坝块，出现2条，在三分点处； 30m的坝块，出现3条，在四分点处； 72m的坝块，出现5条，在六分点处(丹江口) 可见10m以下不出现裂缝354）与表面裂缝有关的影响因素）与表面裂缝有关的影响因素： ⑤表面裂缝与混凝土质量的关系： 抗拉强度高，均匀性好的混凝土相应的抗裂能力高，出现裂缝的机率就低。

当然也不能任意提高混凝土的抗拉强度，一般控制混凝土的离异系数Cv<0.15. ⑥其它特殊原因： △下层收仓不平整——应力集中导致 △ 因事故停仓，再继续浇筑混凝土时，接头处振捣不 密实引起的裂缝 △ 不同标号混凝土搭接不好36三.混凝土初裂判别标准 ⑴⑴⑴⑴ 应力标准：应力标准：应力标准：应力标准： t 〉R (*) 式中， t 为 混凝土的温度应力; R 为混凝土的抗拉强度 (**) 其中，△T——混凝土的温差;  ——混凝土的线胀系数; E ——弹模; R ——混凝土的约束系数; u ——混凝土的泊淞比; Kp——混凝土徐变松弛系数 37三.混凝土初裂判别标准(续) ⑵⑵⑵⑵应变指标应变指标应变指标应变指标 将上页(**)式两边除以E ,得 或写为： R为混凝土的极限拉应变。

38三.混凝土初裂判别标准(续) ⑶⑶ 指标指标 Kp和R随R的增加而增加，因此用 作为抗裂指标更合理, 这样：39四. 混凝土断裂力学 1. 1. LEFM (LEFM (线弹性断裂力学线弹性断裂力学线弹性断裂力学线弹性断裂力学) ) 基础基础基础基础: : 断裂力学是30年来发展起来的一门新兴学科，主要研究带裂缝固体的强度和裂缝传播的规律，与强度理论最大的不同是认为物体中存在缺陷我们知道，玻璃的实际强度和理论强度有较大的差别，早在1920年Griffith就建立了裂缝扩展的能量平衡判据，加入了一项表面能(与裂缝大小有关)，较好地解释了实际强度与理论强度的差别，1955年和1957年Irwin指出，能量观点相当于一种应力场强度观点，认为：当表示裂缝尖端应力场强弱度的应力强度因子K达到其临界值Kc(即材料的断裂韧度)时裂缝便失稳扩展1962年Kaplan首先试探将断裂力学用于混凝土中40 1. 1. LEFM (LEFM (线弹性断裂力学线弹性断裂力学线弹性断裂力学线弹性断裂力学) ) 基础基础基础基础: : ⑴⑴ 裂缝的类型裂缝的类型 I型-张开型 II型-滑开型 III型-撕开型 ⊙⊙⊙411. 1. LEFM (LEFM (线弹性断裂力学线弹性断裂力学线弹性断裂力学线弹性断裂力学) ) 基础基础基础基础: : ⑵⑵ 裂缝前缘的应力场裂缝前缘的应力场: 以I型为例(对无限大板中心裂纹情形)： 式中: 为I型裂缝尖端的应力强度因子。

实际上 ，f(a,)为应力函数421. 1. LEFM (LEFM (线弹性断裂力学线弹性断裂力学线弹性断裂力学线弹性断裂力学) ) 基础基础基础基础: :类似地： ⑶⑶ 应力强度因子的计算：应力强度因子的计算： (可查应力强度因子手册) 有多种方法，常用有限元法和边界元法求出，大致有： △ 应力外推法 △ 位移外推法 △ 奇异单元法 431. 1. LEFM (LEFM (线弹性断裂力学线弹性断裂力学线弹性断裂力学线弹性断裂力学) ) 基础基础基础基础: : ⑷⑷ 断裂判据：断裂判据： 包含两个内容: (1) 什么标准为开裂：纯Ⅰ型 KI > KIC (2) 沿什么方向开裂：纯 I 型 = 0 KIC为材料的断裂韧度 （（5）复合型判据：）复合型判据： 有I+II、 I+III、 II+III、 I+II+III型，判据复杂。

对重力坝而言，只有I+II型，称为拉剪或压剪型断裂 44四. 混凝土断裂力学(续) 2. 2. 混凝土断裂力学混凝土断裂力学混凝土断裂力学混凝土断裂力学 ( (线性线性线性线性) ) (1) 混凝土缝端的微裂缝区混凝土缝端的微裂缝区： 三点弯曲梁： 微裂缝区 452. 混凝土断裂力学混凝土断裂力学 (线性线性) (2) 亚临界扩展亚临界扩展： 混凝土裂缝的扩展并不是一次完成，而是经过由微裂纹的发展到一定程度才向前扩展，这个长度叫亚临界扩展长度，稳定值为20cm 462. 混凝土断裂力学混凝土断裂力学 (线性线性)(3) 混凝土的断裂韧度：混凝土的断裂韧度： 目前已有的实验，基本上集中在 I 型裂缝，且存在尺寸效应，求得其值为: KIC≈2.0MN/m3/2 经验公式： KIC =2.86Kft 其中：ft—10X10X10cm立方体劈拉强度； 2.86— 量纲为m的系数；K—考虑尺寸效应的无量纲系数，对大体积混凝土经验取 K=1.9。

472. 混凝土断裂力学混凝土断裂力学 (线性线性) (4) 混凝土复合型裂缝的断裂判据：混凝土复合型裂缝的断裂判据： 种类： △ 最大周向应力，()max △ 最大应变能释放率判据(G) △ 比应变能判据( S判据) 可求出，但不太符合实际因此，常用经验判据：Ⅰ + Ⅱ复合型(拉剪型) 482. 混凝土断裂力学混凝土断裂力学 (线性线性) 而对于压剪型有两种看法： * 裂缝已闭合，且承受压应力，应采用连续介质力学中的强度理论作为破坏判据，如摩尔—库仑准则等； * 断裂力学观点认为断裂是纯Ⅱ型，断裂后压应力对裂缝扩展有影响，压剪判据为二级判据 该问题非常复杂，需要进一步研究，可参考： 徐道远、付赣清，压剪复合应力强度因子和混凝土压剪断裂判据， 河海大学学报，1988年2月，第16卷第1期49四. 混凝土断裂力学(续)3. 混凝土非线性断裂力学模型混凝土非线性断裂力学模型 （1） 虚拟裂纹模型(Hillerborg)（2） 分布裂纹模型(Bazant) 对于大体积混凝土断裂问题，由于微裂区相对于混凝土而言显得非常小，以致于可以忽略不记，因此可以用混凝土线弹性断裂力学分析裂缝的稳定性。

50虚拟裂纹模型-Fictitious Crack Model51虚拟裂纹模型-Fictitious Crack Model52虚拟裂纹模型-Fictitious Crack Model53虚拟裂纹模型-Fictitious Crack Model54分布裂纹模型-Smeared Crack Model55Fracture analysis of Koyna dam under the 1967 earthquake56?混凝土为什么会有尺寸效应？混凝土温度破坏机理？57The end58。