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重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合分析

郑安兴 潘国勇

郑安兴,潘国勇. 重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合分析[J]. 水利水运工程学报. doi:  10.12170/20220110003
引用本文: 郑安兴,潘国勇. 重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合分析[J]. 水利水运工程学报. doi:  10.12170/20220110003
(ZHENG Anxing, PAN Guoyong. Coupling analysis of hydraulic fracturing of crack in the heel of gravity dam[J]. Hydro-Science and Engineering(in Chinese)) doi:  10.12170/20220110003
Citation: (ZHENG Anxing, PAN Guoyong. Coupling analysis of hydraulic fracturing of crack in the heel of gravity dam[J]. Hydro-Science and Engineering(in Chinese)) doi:  10.12170/20220110003

重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合分析

doi: 10.12170/20220110003
基金项目: 浙江省自然科学基金资助项目(LZJWY22E090008, LQ18E090003);国家自然科学基金资助项目(51279100);浙江省水利科技重点项目(RB2022)
详细信息
    作者简介:

    郑安兴(1986—),男,浙江温州人,博士,主要从事大坝水力劈裂的流-固-损伤多场耦合模拟研究。E-mail:zhenganxing@126.com

  • 中图分类号: TV313

Coupling analysis of hydraulic fracturing of crack in the heel of gravity dam

  • 摘要: 重力坝坝踵裂缝在大坝运行期间通常承受较高水头作用,易发生水力劈裂破坏。建立扩展有限元方法框架下重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合数值模型,并采用扩展有限元法模拟水力劈裂耦合作用下重力坝坝踵裂缝扩展过程。计算结果表明:重力坝坝踵初始裂缝逐渐向坝基底部扩展,且裂缝扩展方向朝下游方向;无水力劈裂作用下的裂缝开裂角要大于水力劈裂作用下的,无水力劈裂耦合作用下的裂缝开裂角小于水力劈裂耦合作用下的;重力坝坝踵裂缝扩展前,裂缝内水压力基本与边界水压力相同,当裂缝开始扩展时,裂缝内水压会降低,而后裂缝张开宽度不断增大,裂缝内水压力又会变成边界全水头;裂缝水力劈裂导致裂尖Ⅰ型应力强度因子增大,降低了重力坝裂缝的稳定性。研究成果可为重力坝坝踵裂缝水力劈裂防治提供理论依据。
  • 图  1  裂尖局部极坐标

    Figure  1.  Local polar coordinates of crack tip

    图  2  裂缝内水流分析模型

    Figure  2.  Flow analysis model in crack

    图  3  试件几何尺寸(单位:m)

    Figure  3.  Geometric dimension of the specimen (unit: m)

    图  4  计算网格

    Figure  4.  Computational grid

    Figure  5.  Water pressure in crack under different crack length

    图  6  重力坝几何尺寸(单位:m)

    Figure  6.  Geometric dimensions of gravity dam (unit: m)

    图  7  重力坝裂缝扩展路径

    Figure  7.  Crack propagation path of gravity dam

    图  8  应力云图

    Figure  8.  Stress distribution diagram

    图  9  不同裂缝长度下的裂缝张开宽度

    Figure  9.  crack opening width under different crack length

    图  10  不同裂缝长度下的裂缝内水压力

    Figure  10.  Hydraulic pressure along crack face under different crack length

    图  11  有无水力劈裂作用下裂缝扩展路径

    Figure  11.  Crack propagation path with or without hydraulic fracturing

    图  12  有无水力劈裂作用下裂缝长度与I型应力强度因子之间的关系曲线

    Figure  12.  Relation curve between crack length and type I stress intensity factor with or without hydraulic fracturing

    图  13  有无水力劈裂作用下裂缝长度与II型应力强度因子之间的关系曲线

    Figure  13.  Relation curve between crack length and type II stress intensity factor with or without hydraulic fracturing

    表  1  坝体和坝基的材料计算参数

    Table  1.   Material calculation parameters of dam body and dam foundation

    部位重度/(kN/m3)弹性模/GPa泊松比断裂韧度/(kN·m−3/2)
    坝体24220.16721 500
    坝基28240.20025 800
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  • 收稿日期:  2022-01-10

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