【摘要】 本文以位于黃河上游干流上的某雙曲拱壩為工程背景，探索了材料本構(gòu)模型、設(shè)縫位置、設(shè)縫高程、設(shè)縫深度、設(shè)縫角度以及縫面摩擦系數(shù)對(duì)周邊縫設(shè)置效果的影響。研究表明采用塑性材料本構(gòu)模型后拱壩應(yīng)力分布規(guī)律更加符合實(shí)際情況，通過(guò)不設(shè)縫方案、設(shè)邊縫加底縫和僅設(shè)底縫方案對(duì)比分析得知設(shè)縫方案均能有效減小拱壩周邊拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，但設(shè)縫部位不同對(duì)壩體穩(wěn)定影響較大。設(shè)邊縫加底縫方案完全切斷壩體與周邊的聯(lián)系，降低了壩體的整體性容易出現(xiàn)縫面張開(kāi)的現(xiàn)象。而僅設(shè)底縫方案即能減小壩踵拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，又不完全切斷壩體，在一定程度上保證了壩體的整體性。設(shè)縫高程宜在距離壩底高40m，相對(duì)壩高所占百分比為16%的高程范圍內(nèi)選定，且設(shè)縫距壩底面越近效果越好。不論縫深如何變化，縫面未合的近區(qū)接觸區(qū)以及滑動(dòng)區(qū)范圍主要分布在縫面靠上游面1/4截面處，縫面深度應(yīng)盡量超過(guò)1/4截面寬度，設(shè)縫深度越深對(duì)踵處拉、壓應(yīng)力的改善效果越好。在滿足壩體廊道布置要求及縫面穩(wěn)定的前提下，縫面越向壩底上游面傾斜對(duì)壩踵拉應(yīng)力改善效果越好。縫面摩擦系數(shù)越大縫面越穩(wěn)定，縫面摩擦系數(shù)越大越好。 

第一章 緒論

1.1 選題背景及研究意義
拱壩因其投資省、工程量小以及較強(qiáng)的抗震性和較高的超載能力等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)水利水電發(fā)展事業(yè)中占有重要的地位[1]。在相同壩高條件下拱壩的投資額往往為重力壩的 1/2—2/3 左右[2]。我國(guó)拱壩建設(shè)發(fā)展迅速，由表 1.1 和表 1.2 可以看出目前最高壩為中國(guó)的錦屏一級(jí)拱壩，拱壩在眾多壩型中具有天然的高壩優(yōu)勢(shì)[3]。在世界前十大高拱壩統(tǒng)計(jì)表中，中國(guó)的高拱壩共計(jì)五個(gè)，這足以說(shuō)明我國(guó)拱壩建設(shè)發(fā)展迅速[4]。壩高增高帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也增大了拱壩安全方面的風(fēng)險(xiǎn)。隨著拱壩高度不斷增高，拱壩總體應(yīng)力水平也隨之提高，拱壩應(yīng)力的安全儲(chǔ)備減小，對(duì)應(yīng)力的敏感性增強(qiáng)。一旦拱壩產(chǎn)生局部開(kāi)裂導(dǎo)致應(yīng)力重分布，這對(duì)于高拱壩而言就很可能造成應(yīng)力普遍超載及裂縫擴(kuò)展的現(xiàn)象，這將威脅大壩安全[5]。大壩開(kāi)裂的幾個(gè)主要部位位于[6,7]：
（1）壩踵裂縫，主要是因拱壩與周圍巖體固結(jié)形成高次超靜定結(jié)構(gòu)導(dǎo)致壩踵拉應(yīng)力過(guò)大以及壩體周邊部位應(yīng)力集中使混凝土出現(xiàn)裂縫[8]；
（2）拱壩上游面靠近拱座部位的裂縫，主要是由于大壩在外部氣溫升、降的情況下，壩體因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫；
（3）上下游表面裂縫，主要是混凝土表面溫度驟降，表面干裂出現(xiàn)微小裂縫，在壓力水的侵蝕作用下，壩體中容易形成整體性貫穿裂縫或深縫。

1.2 拱壩周邊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀
在拱壩設(shè)計(jì)中最早引入設(shè)周邊縫概念的是意大利 1939 年建成的奧雪蘭塔拱壩 (Osigeietm)，壩高 76.0m。這種結(jié)構(gòu)形式的拱壩在國(guó)外比較常見(jiàn)，尤其是在高拱壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常常會(huì)用到。我國(guó)最早修建了一批帶有試驗(yàn)性質(zhì)的周邊縫拱壩如浙江馬頭嶺周邊緣縫拱壩、貴州小溝周邊緣縫拱壩、福建梅花周邊縫拱壩等，為我國(guó)設(shè)周邊縫拱壩的建造技術(shù)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作出了重要貢獻(xiàn)。拱壩中周邊縫是指設(shè)置于拱壩與河床及岸邊混凝土墊座之間的接觸縫，拱壩周邊縫按分布位置劃分主要包括兩個(gè)部分，壩體兩側(cè)設(shè)置的縫稱之為邊縫，壩體底部設(shè)置的縫稱之為底縫。周邊縫的主要形式有圓弧形和直線形兩種，其中圓弧形縫面抗滑能力強(qiáng)但抗轉(zhuǎn)動(dòng)能力弱，直線形縫面與圓弧形特點(diǎn)恰好相反，直線形縫抗滑能力弱，但抗轉(zhuǎn)動(dòng)能力強(qiáng)。部分學(xué)者認(rèn)為拱壩設(shè)周邊縫后，壩體應(yīng)力在一定范圍內(nèi)得到改善，因縫面不抗拉，拉應(yīng)力在縫面處消散，改善了壩踵處拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象[13]。壩體與大墊座之間接觸面不抗拉，但能很好的傳遞壓力，并通過(guò)大墊座向基巖擴(kuò)散。由于周邊縫切斷了壩體周邊與基巖的固結(jié)聯(lián)系，是壩體周邊縫約束處于理想固結(jié)和理想鉸約束之間的一種狀態(tài)，使得壩體具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，從而有效避免了基礎(chǔ)過(guò)大的轉(zhuǎn)動(dòng)和巖石的開(kāi)裂，改善了基礎(chǔ)邊界條件，使得壩體與大墊座之間接觸面不抗拉，但能很好的傳遞壓力，并通過(guò)大墊座向基巖擴(kuò)散。當(dāng)基礎(chǔ)巖石形狀不規(guī)則或彈性模量不均勻有突變?nèi)菀桩a(chǎn)生不均勻沉降時(shí)引起應(yīng)力集中而導(dǎo)致大墊座曲梁拉裂。周邊縫可有效地把裂縫限制在大墊座混凝土范圍內(nèi)，不影響壩體本身，滲水也能夠方便地從周邊縫處的廊道排走。故建議當(dāng)基巖彈性模量 E 小于混凝土彈性模量的 1／2 時(shí)可設(shè)置設(shè)周邊縫，改善壩體底部的應(yīng)力狀況[14]。
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第二章 設(shè)周邊縫拱壩有限元分析的基本理論

2.1 有限元法分析問(wèn)題的基本原理和步驟
有限元法（FEM）[43]就是把一個(gè)要求解的連續(xù)體用有限個(gè)相同或不同形狀的單元體表達(dá)出來(lái)，也就是通過(guò)劃分網(wǎng)格的方式將要求解的區(qū)域離散化[44]。經(jīng)過(guò)離散后的離散體與真實(shí)結(jié)構(gòu)之間也存在一些區(qū)別：真實(shí)的結(jié)構(gòu)是完全的連續(xù)體，而離散體中是通過(guò)單元間的變形滿足變形協(xié)調(diào)條件將單元與單元之間的結(jié)點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)。有限元法近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于工程界以及各個(gè)領(lǐng)域，分析問(wèn)題的步驟基本一致，大體可以分為以下五個(gè)步驟：結(jié)構(gòu)的離散化也就是我們?cè)诮＿^(guò)程中劃分網(wǎng)格，就是把所建立的模型按照一定原則選用合適的單元用有限個(gè)具有規(guī)則形狀單元體離散開(kāi)來(lái)。根據(jù)模型所具有的規(guī)模、性質(zhì)和精度的情況來(lái)選取合適的單元。劃分后的單元按照一定的順序?qū)⒔Y(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)，根據(jù)靜力等效原理將每個(gè)單元上的荷載移植到結(jié)點(diǎn)上，通過(guò)實(shí)際施加在結(jié)點(diǎn)上的位移邊界條件來(lái)設(shè)置約束條件。常見(jiàn)的單元有桿單元、三角形單元、四邊形單元、四面體單元、六面體單元等。
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2.2 非線性有限元法的基本理論
常規(guī)的線性有限元理論是建立在固體力學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用本構(gòu)方程、平衡方程以及幾何運(yùn)動(dòng)方程組合而成的，但此方法一般只適用處于彈性階段的材料[45]。我們知道當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)材料本身的強(qiáng)度以后，應(yīng)力和應(yīng)變不會(huì)再呈線性關(guān)系，所以在線性有限元法的不斷發(fā)展下出現(xiàn)了解決此類問(wèn)題的辦法——非線性有限元法。非線性有限元法主要針對(duì)各類非線性問(wèn)題為對(duì)象，分析結(jié)構(gòu)中單元的應(yīng)力和應(yīng)變的分布規(guī)律，基本理論的形成主要依賴于固體力學(xué)、塑性力學(xué)等多種學(xué)科。非線性問(wèn)題的分析步驟主要有：a.確立非線性本構(gòu)模型；b.建立非線性本構(gòu)方程；c.通過(guò)假定材料的屬性和邊界條件進(jìn)行求解。在了解非線性問(wèn)題時(shí)，根據(jù)其產(chǎn)生原因的不同大體可以分為三種：①結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生了大的位移和變形從而引起了非線性，被稱作幾何非線性；②由于材料自身的特性所引發(fā)的非線性問(wèn)題，被稱作材料非線性；③由所分析問(wèn)題邊界條件的不可逆、可變性而引起的非線性問(wèn)題，叫接觸非線性。幾何非線性問(wèn)題是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的大變形所引起的，此時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況將受到位移大小的影響，其原因大體為以下幾種：a.大轉(zhuǎn)動(dòng)或大撓度；b.突然發(fā)生翻轉(zhuǎn)；c.初始應(yīng)力或荷載剛性化，這時(shí)位移和應(yīng)變關(guān)系所反映出來(lái)的幾何方程是非線性方程。在分析幾何非線性問(wèn)題時(shí)，一般來(lái)說(shuō)認(rèn)為結(jié)構(gòu)在受到荷載時(shí)還處于彈性階段，應(yīng)力和應(yīng)變之間為線性關(guān)系。假如結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變也呈非線性關(guān)系，那問(wèn)題就會(huì)復(fù)雜化為雙重非線性問(wèn)題。在實(shí)際工程中，殼、板、實(shí)體中都存在幾何非線性問(wèn)題，如：壓桿、板、殼結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服階段后的穩(wěn)定性問(wèn)題；彈性薄殼結(jié)構(gòu)的大撓度分析等。
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第三章 拱壩有限元模型的建立及初步分析...... 17
3.1 分析思路和方法 ......17
3.2 工程概況及基本資料.........17
3.3 模型分析方案及工況選擇......23
3.4 本章小結(jié)........30
第四章 拱壩周邊縫優(yōu)化分析......... 31
4.1 分析思路........31
4.2 設(shè)縫面距壩底高程影響分析.......31
4.3 設(shè)縫深度影響分析........38
4.4 設(shè)縫角度影響分析........44
4.5 縫面摩擦系數(shù)影響分析.....51
4.6 本章小結(jié) ........54
第五章 結(jié)論與展望..... 55
5.1 結(jié)論......55
5.2 展望......55

第四章 拱壩周邊縫優(yōu)化分析

4.1 分析思路
根據(jù)第三章中對(duì)拱壩不設(shè)縫方案、設(shè)邊縫加底縫方案、設(shè)底縫方案三種情況的對(duì)比分析，得知設(shè)邊縫加底縫和僅設(shè)底縫都能對(duì)壩踵拉應(yīng)力過(guò)大現(xiàn)象起到改善作用，但是設(shè)周邊縫完全切斷壩體，使壩體整體性大大減弱，在外部荷載較大的情況下容易使得縫面張開(kāi)過(guò)大，這一現(xiàn)象對(duì)壩體防滲及壩體自身穩(wěn)定影響很大，這一問(wèn)題也是學(xué)界對(duì)設(shè)周邊縫拱壩的爭(zhēng)議所在。設(shè)底縫方案，既能改善壩踵拉應(yīng)力過(guò)大現(xiàn)象，也不完全切斷壩體，保證了壩體的整體性。在第三章拱壩設(shè)縫初步分析中，設(shè)底縫方案改善踵拉應(yīng)力效果明顯，且無(wú)明顯上抬現(xiàn)象，只在縫面出現(xiàn)張開(kāi)和滑移，且數(shù)值不大。故后續(xù)分析針對(duì)設(shè)局部周邊縫即底部縫方案進(jìn)行優(yōu)化分析。影響設(shè)縫對(duì)壩體應(yīng)力改善效果的幾個(gè)主要因素有：縫面高程、設(shè)縫深度、縫面角度、縫面摩擦系數(shù)等。本章將針對(duì)每一個(gè)影響因素進(jìn)行分析，從而分析出各因素對(duì)設(shè)縫效果影響的基本規(guī)律，并根據(jù)上述分析結(jié)果為拱壩周邊縫優(yōu)化設(shè)置提供一些建議。
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結(jié)論

本文以某拱壩為工程背景，采用大型有限元分析軟 ANSYS 建立了多種有限元分析模型，設(shè)立了五組對(duì)比方案。通過(guò)對(duì)各組方案分析總結(jié)結(jié)論如下
① 研究表明采用塑性材料本構(gòu)模型后拱壩應(yīng)力分布規(guī)律更加符合實(shí)際情況，模型材料本構(gòu)模型應(yīng)盡可能采用塑性本構(gòu)模型進(jìn)行建模。
② 通過(guò)不設(shè)縫方案、設(shè)邊縫加底縫和僅設(shè)底縫方案對(duì)比分析得知設(shè)縫方案均能有效減小拱壩周邊拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，但設(shè)縫部位不同對(duì)壩體穩(wěn)定影響較大。設(shè)邊縫加底縫方案完全切斷壩體與周邊的聯(lián)系，降低了壩體的整體性容易出現(xiàn)縫面張開(kāi)的現(xiàn)象。而僅設(shè)底縫方案即能減小壩踵拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，又不完全切斷壩體，在一定程度上保證了壩體的整體性。
③ 設(shè)縫高程宜在距離壩底高 40m，相對(duì)壩高所占百分比為 16%的高程范圍內(nèi)選定，且在滿足縫面穩(wěn)定（即不破壞壩體防滲措施及壩體穩(wěn)定性）的前提下設(shè)縫距壩底面越近效果越好。
④ 不論縫深如何變化，，縫面未合的近區(qū)接觸區(qū)以及滑動(dòng)區(qū)范圍主要分布在縫面靠上游面 1/4 截面處，縫面深度應(yīng)盡量超過(guò) 1/4 截面寬度，設(shè)縫深度越深對(duì)踵處拉、壓應(yīng)力的改善效果越好。
⑤ 在滿足壩體廊道布置要求及縫面穩(wěn)定的前提下，縫面越向壩底上游面傾斜對(duì)壩踵拉應(yīng)力改善效果越好。
⑥ 縫面摩擦系數(shù)越大縫面越穩(wěn)定，縫面摩擦系數(shù)越大對(duì)壩體抗剪能力的減弱效果越小，縫面摩擦系數(shù)越大越好。
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參考文獻(xiàn)（略）