顧培英，肖仕燕,2，鄧　昌，章道生,2，王　建

(1.南京水利科學(xué)研究院， 南京　210029； 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京　210098)

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沖擊荷載作用下混凝土重力壩破壞特性分析

顧培英1，肖仕燕1,2，鄧昌1，章道生1,2，王建1

(1.南京水利科學(xué)研究院， 南京210029； 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京210098)

摘要：沖擊荷載作用下混凝土重力壩破壞特性較靜荷載作用下要復(fù)雜得多。采用鋼板均勻沖擊模擬水下循環(huán)沖擊波對混凝土重力壩的作用，試驗(yàn)遵循幾何和重力相似準(zhǔn)則，對模型重力壩進(jìn)行均勻沖擊破壞特性研究，得到模型壩體的動力破壞特性，并對裂縫位置和擴(kuò)展情況進(jìn)行定位和追蹤。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)壩體遭受循環(huán)均勻沖擊荷載時(shí)，上游壩面壩體最大動應(yīng)變不再在壩踵處，而是位于壩體中部；壩頭部位是抗沖擊的薄弱部位，最先出現(xiàn)開裂破壞；壩體破壞模式包括貫穿性斷裂、碎裂、層裂和拋擲等。試驗(yàn)結(jié)果可為大壩的運(yùn)行管理、防爆抗振設(shè)防及安全評價(jià)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：混凝土重力壩；沖擊荷載作用;循環(huán)沖擊；響應(yīng)特性；破壞模式

1研究背景

水電能源是目前大規(guī)模開發(fā)的清潔能源，也事關(guān)防洪抗旱、航運(yùn)、環(huán)境保護(hù)等重大國計(jì)民生問題。我國水能資源十分豐富，實(shí)際開發(fā)量和可開發(fā)量均處于世界首位。近年來我國重力壩的數(shù)量越來越多，壩高越來越高，這些高壩運(yùn)行過程中除受靜載、地震荷載作用外[1]，還可能遭受自然災(zāi)害或人為引起的沖擊荷載的作用(如大體積山體滑坡沖入水庫引起的沖擊、爆炸沖擊、船舶沖擊等)，存在動力破壞的危險(xiǎn)。大壩的意外損毀，可能導(dǎo)致災(zāi)難性的洪水事件,席卷下游的居民區(qū)和農(nóng)業(yè)土地,給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失和災(zāi)難。大壩安全問題面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

近年來國內(nèi)外學(xué)者就沖擊荷載作用下水中結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)開展了大量的研究，如Houlston等[2-3]對不同強(qiáng)度的方形薄板進(jìn)行了水下爆炸試驗(yàn)研究獲得結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的位移分布值,Fujikake 等[4]利用落錘試驗(yàn)裝置對鋼筋混凝土梁在沖擊荷載下的動力響應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并采用雙自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼器模型對沖擊試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算與分析，通過對比試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果可知，兩者吻合良好。姚熊亮等[5]利用LS-DYNA有限元軟件對圓柱結(jié)構(gòu)在不同流體邊界下水下爆炸沖擊載荷作用的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值研究,并將數(shù)值模擬結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果以及海軍工程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較,結(jié)果表明利用LS-DYNA模擬水下爆炸在一定范圍內(nèi)是可行的。張社榮等[6]運(yùn)用顯式動力分析程序LS-DYNA，對水下爆炸沖擊荷載作用下大壩動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，探討大壩可能破壞模式及相應(yīng)的破壞機(jī)制。張社榮等[7]采用SPH-FEM耦合方法，對水下接觸爆炸下的大壩動態(tài)響應(yīng)及毀傷特性進(jìn)行了分析。王山山等[8]通過重力壩模型試驗(yàn)的方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，有效測試結(jié)構(gòu)的動力特性。綜上所述可以看到，沖擊對水中結(jié)構(gòu)響應(yīng)的試驗(yàn)研究主要集中于結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，對于大壩的安全，人們更關(guān)心的是壩體遭受循環(huán)沖擊荷載大壩的破壞形態(tài)和破壞程度的估計(jì)。本文用機(jī)械沖擊模擬大壩在強(qiáng)沖擊波作用下的破壞過程，開展大壩在核爆、山體滑坡沖擊作用下的破壞試驗(yàn)。

2理論分析

鋼板沖擊模型重力壩時(shí)沖擊荷載隨時(shí)間急劇變化，且使系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力。本研究采用能量法近似計(jì)算結(jié)構(gòu)的沖擊力和沖擊應(yīng)力，并給出如下假定：①不計(jì)沖擊物鋼板的變形；②沖擊物鋼板撞擊重力壩迎水壩面回彈后，不再作用第2次；③被沖擊物模型重力壩的慣性與沖擊物鋼板相比很小，可略去不計(jì)，沖擊力瞬時(shí)傳遍整個(gè)被沖擊物模型重力壩；④整個(gè)沖擊過程中，構(gòu)件在線彈性范圍內(nèi)；⑤沖擊過程中，聲、熱等能量損耗很小，可略去不計(jì)；⑥地基視為剛性 ,不考慮大壩和地基的相互作用,不考慮溫度變化。

圖1為壩體結(jié)構(gòu)受沖擊荷載前后的受力簡圖。其中，靜荷載作用下壩體向下游面傾斜的水平距離為δst，沖擊荷載作用下壩體向下游面傾斜的水平距離為δd。根據(jù)能量守恒定律可得公式如下：

(1)

(2)

式中：m為加載板質(zhì)量；v為沖擊速度；q為均布荷載；l為壩高。

圖1　壩體結(jié)構(gòu)受沖擊荷載前后的力學(xué)分析Fig.1　Force analysis of structure before and after impact load

由此可推出動力系數(shù)Kd的表達(dá)式如下

(3)

靜荷載作用下重力壩靜位移δst可表示為

(4)

式中:E為彈性模量；I為慣性矩。

靜荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算表達(dá)如下式：

(5)

(6)

(7)

由式(5)至式(7)可知當(dāng)x=0.63時(shí)σmax取得最大應(yīng)力，即壩踵和壩址處應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)最大。

3試驗(yàn)概況

3.1試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)?zāi)M的是楓樹大壩的某壩段,壩高95.3 m,壩底厚度80 m，壩頂寬度29 m。本文模型的比例尺為1∶127，試驗(yàn)采用水泥砂漿來制作結(jié)構(gòu)模型，水泥砂漿這種模型材料的密度、泊松比都很容易與實(shí)際混凝土一致。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了一個(gè)重力壩段，壩段高0.75 m，寬0.63 m，厚0.09 m，水泥砂漿通過攪拌機(jī)攪拌，木模澆筑成型，達(dá)到齡期后首先進(jìn)行水泥砂漿試塊材料力學(xué)性能試驗(yàn)，水泥砂漿試塊彈性模量21.3 GPa，抗壓強(qiáng)度29.7 MPa，泊松比0.14。

3.2試驗(yàn)裝置

由于爆炸或山體滑坡產(chǎn)生的水下沖擊波強(qiáng)度高，傳播速度快，在一定范圍內(nèi)球面波可以作為平面波來考慮，壩體上游面受到的沖擊荷載可以認(rèn)為沿壩高和壩軸線方向均是均勻分布的，同時(shí)考慮到壩體橫向分縫形成壩段，各個(gè)壩段獨(dú)立工作，所以取一個(gè)壩段研究可以代表整個(gè)壩體。

圖2　沖擊激勵(lì)裝置Fig.2　Device of shock excitation

3.3測試方案

試驗(yàn)采用固定鋼板重量，變化鋼板沖擊速度改變沖擊能量?？紤]加載板間的相互作用及擺臂變形、摩擦力等影響，應(yīng)用HX-3型高速攝像機(jī)分別測得5塊加載板接觸試件前的瞬時(shí)沖擊速度及接觸時(shí)刻，計(jì)算沖擊能。測試結(jié)果表明，5塊加載板基本能同時(shí)接觸試件，一般情況下沖擊速度差異不大，近似認(rèn)為沖擊力均勻。由于擺臂質(zhì)量很小，只有加載板的1.2%，擺臂沖擊能會更小，故忽略擺臂沖擊能影響?？紤]應(yīng)變的對稱性，同時(shí)兼顧其他同步測試項(xiàng)目，如高速攝影、沖擊加載試驗(yàn)裝置、聲發(fā)射等應(yīng)變片只貼在模型的左側(cè)，一共11個(gè)測點(diǎn)。除第1個(gè)測點(diǎn)只貼有豎向應(yīng)變片，別的測點(diǎn)均有橫向、豎向、斜向的三向應(yīng)變片，共計(jì)31個(gè)應(yīng)變片,如圖3所示。

圖3　應(yīng)變片布置Fig.3　Layout of strain gauges

加載過程中為避免加載板之間相互碰撞，通過調(diào)整電磁鐵吸附位置保證鋼板與懸吊角鋼在一條直線上不能有傾斜，且5塊加載板、角鋼相互平行。5塊加載板接觸試件前的瞬時(shí)沖擊速度及接觸時(shí)刻通過HX-3型高速攝像機(jī)分別測得，加載過程中各測點(diǎn)的應(yīng)變響應(yīng)由預(yù)先粘貼的應(yīng)變片與TST5925E無線遙測動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)對應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，并繪制相關(guān)圖形。

表1　結(jié)構(gòu)在不同沖擊荷載作用下最大應(yīng)變響應(yīng)值及破壞形態(tài)

注：測點(diǎn)3的應(yīng)變值達(dá)到應(yīng)變片極限，應(yīng)變片已損壞

圖4　加載高度與沖擊能量關(guān)系曲線Fig.4　Relationship betweenlifting height and averageimpact energy of load plate

4試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1沖擊能量

應(yīng)用HX-3型高速攝像機(jī)分別測得5塊加載板接觸試件前的瞬時(shí)沖擊速度及接觸時(shí)刻，計(jì)算出5個(gè)不同工況荷載作用下沖擊能如圖4所示，5個(gè)工況對應(yīng)的加載板提升高度h分別為150，300，450，600，750 mm。

4.2應(yīng)變響應(yīng)特性

模型結(jié)構(gòu)測點(diǎn)6在工況5荷載作用下典型的應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線如圖5所示(混凝土應(yīng)變以受拉為正、受壓為負(fù))。

圖5　典型結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.5　Typical time history of strain response

各工況作用下壩體不同位置最大應(yīng)變響應(yīng)及破壞形態(tài)描述如表1所示，由表可知在隨著沖擊能量的增大，各測點(diǎn)最大應(yīng)變基本隨著沖擊荷載的增大而增大，各測點(diǎn)中測點(diǎn)3應(yīng)變最大，應(yīng)變值已達(dá)應(yīng)變片極限，應(yīng)變片已被損壞；隨著沖擊能量的增大壩體破壞越嚴(yán)重，壩體在工況3(h=450 mm)荷載作用下破損出現(xiàn)微裂縫。隨著沖擊能量的增大裂縫擴(kuò)展，最終貫穿完全破損。

根據(jù)結(jié)構(gòu)在均勻沖擊荷載下應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線，可得結(jié)構(gòu)在不同沖擊荷載作用下各測點(diǎn)最大應(yīng)變響應(yīng)值。由于混凝土在沖擊荷載作用下的開裂破壞主要是受拉破壞，所以本文重點(diǎn)分析拉應(yīng)變。各試驗(yàn)工況下迎水壩面、壩基面、背水壩面最大拉應(yīng)變分布如圖6所示。

圖6　拉應(yīng)變分布Fig.6　Distributions of tensile strain

由圖6(a)迎水壩面應(yīng)變分布情況可看出：①在沖擊荷載作用下，迎水壩面各部位最大拉應(yīng)變響應(yīng)值基本都隨沖擊能量的增大而增大；②在不同沖擊荷載作用下，迎水壩面最大拉應(yīng)變響應(yīng)基本都集中發(fā)生在迎水壩面中部位置，測點(diǎn)3應(yīng)變達(dá)到應(yīng)變片極限值，應(yīng)變片已被損壞,應(yīng)變值未測到。根據(jù)理論分析，在靜荷載作用下壩踵和壩址處應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)最大，出現(xiàn)最大應(yīng)變上移這種情況的原因是，混凝土重力壩具有一定柔性，在強(qiáng)沖擊荷載作用瞬間壩體向下游面傾斜，最大應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)出現(xiàn)上移現(xiàn)象。

由圖6(b)壩基面應(yīng)變分布情況可看出：①在沖擊荷載作用下，壩基面各部位最大拉應(yīng)變響應(yīng)值基本都隨沖擊能量的增大而增大；②在不同沖擊荷載作用下，壩基面最大拉應(yīng)變響應(yīng)基本都集中發(fā)生在壩踵和壩址處。由圖6(c)背水壩面應(yīng)變分布情況可看出：①在沖擊荷載作用下，背水壩面各部位最大拉應(yīng)變響應(yīng)值基本都隨沖擊能量的增大而增大；②在不同沖擊荷載作用下，背水壩面最大拉應(yīng)變響應(yīng)基本都集中發(fā)生在壩址和壩頸處。

4.3破壞特性分析

圖7給出了工況5沖擊荷載作用下壩體的最終破壞形態(tài)，混凝土的破壞主要是等效積累塑性應(yīng)變和積累塑性體積應(yīng)變2部分綜合作用引起，沖擊荷載的總能量一部分是引起等效積累塑性應(yīng)變的破壞沖量，它對混凝土的破壞起主導(dǎo)作用；另一部分是引起混凝土體積應(yīng)變的破壞沖量。同時(shí)混凝土材料是典型的脆性材料，其抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，混凝土的斷裂破壞主要是由于拉伸應(yīng)力或剪切應(yīng)力達(dá)到極限條件而引起的破壞。

圖7　工況5沖擊荷載作用下重力壩最終破壞形態(tài)Fig.7　Final failure modes of gravity dam underimpact load in working condition 5

圖8　裂縫位置和擴(kuò)展情況Fig.8　Position and propagation of cracks

不同工況荷載作用下壩體破壞形態(tài)描述如下。

(1) 工況1荷載作用下壩體完整，無破損現(xiàn)象。

(2) 工況2荷載作用下壩體左右側(cè)面表層砂漿碎裂脫落，由表1可看出隨著沖擊荷載的增加，壩體中部產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉伸應(yīng)變。

(3) 工況3荷載作用下壩頂下方20～25 cm間壩體迎水面和壩體下游右側(cè)出現(xiàn)裂縫破壞，裂縫名稱為裂縫2-1和裂縫2-5，圖8中給出沖擊荷載作用下重力壩裂縫出現(xiàn)的位置、形狀及發(fā)展方向，網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm。結(jié)合高速攝像儀可看到在工況3沖擊荷載作用下壩體向前傾斜與鋼板支座分離，卸載后回落到原位。

(4) 工況4荷載作用下壩下游左側(cè)表層砂漿碎裂脫落嚴(yán)重，壩下游右側(cè)裂縫2-1擴(kuò)展形成裂縫2-2，壩體迎水面裂縫2-5擴(kuò)展同時(shí)延伸形成裂縫2-7，壩體背水面完整無破損現(xiàn)象。

(5) 工況5荷載作用下裂縫貫穿，壩頭被撞掉拋向下游壩面(圖7)。

根據(jù)壩體模型最終破壞形態(tài)分析表明，在沖擊荷載作用下，重力壩壩頭是抗沖擊的薄弱部位。盡管在不同沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變響應(yīng)基本都集中生在上游壩面中部，但在壩頸處上下游方向首先形成貫穿裂縫。是由于壩頸處受較大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力作用，且斷面尺寸突變，壩頸處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在強(qiáng)沖擊荷載作用下,壩體內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變變化(時(shí)、空變化)比較復(fù)雜,因此壩體的破壞特性具有多樣性和隨機(jī)性。

5結(jié)論

(1) 在沖擊荷載作用下，壩體各部位最大應(yīng)變響應(yīng)值基本都隨沖擊能量的增大而增大。

(2) 在循環(huán)均勻沖擊荷載作用下，壩體迎水壩面最大拉應(yīng)變響應(yīng)集中在迎水壩面中部。

(3) 壩頭部位是混凝土重力壩的抗沖擊的薄弱部位，沖擊過程中，壩頸上下游方向首先貫穿，而使混凝土重力壩喪失基本承載力。

(4) 在不同的沖擊荷載用下，混凝土重力壩的損傷破壞程度不同，沖擊能量的不同對混凝土重力壩在強(qiáng)沖擊荷載下的非線性動力反應(yīng)影響較大。

本試驗(yàn)不足之處在于：壩體結(jié)構(gòu)與支座用螺栓緊固，支座緩沖作用相應(yīng)較弱，使得結(jié)構(gòu)更容易破壞。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Damage Characteristics of Concrete Gravity Dam under Impact Load

GU Pei-ying1, XIAO Shi-yan1,2, DENG Chang1, ZHANG Dao-sheng1,2, WANG Jian1

(1.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing210029, China;2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing210098, China)

Abstract:The dynamic responses of concrete gravity dam under impact loading are much more complicated than that under static loading. In this paper the damage characteristics of gravity dam is researched by applying steel uniform impact to simulate the cyclic impact of wave loading underwater on concrete gravity dam. Geometrical and gravity similitude are both satisfied in the model test. The dynamic responses of model dam are obtained, and the position and propagation of cracks are observed and tracked. Results reveal that when the dam is subjected to cyclic uniform impact loading, the maximum strain of dam is at the middle of the upstream dam face rather than at the dam heel; cracking damage occurs first at the jetty head which is a weak part of impact resistance. The failure modes of concrete gravity dam under cyclic uniform impact include cracking, fragmenting, spalling and throwing. The results provide theoretical basis for the operational management, shock resistance and safety evaluation of dams.

Key words:concrete gravity dam; impact load; cyclic impact; response characteristics; failure modes

中圖分類號：TV32.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)05-0048-05

doi:10.11988/ckyyb.201501622016,33(05):48-52

作者簡介：顧培英((1968-)，女，江蘇南通人，教授級高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)抗震、減震、損傷振動診斷研究,(電話)13605168904(電子信箱)237651708@qq.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51179107)

收稿日期：2015-03-09;修回日期：2015-04-10