文摘

Guanyinyan水电站大坝是由混凝土重力坝的左岸和右岸堆石坝。水电站的运行期间,几个表面混凝土重力坝裂缝发生,威胁大坝的稳定性。评价裂缝的演化趋势和预测大坝的潜在风险,微地震(MS)监测技术和有限元方法。首先,混凝土三点弯曲进行了现场试验证明女士的可靠性技术在监测混凝土裂缝。女士监测结果与仿真结果一致。然后,监控系统是安装在坝体女士。通过分析活动蓄水前后,女士的进化趋势大坝的裂缝和潜在风险进行评估和预测。仿真结果也与监测结果一致。这些结果可以提供重要的参考三峡大坝的安全运行,也提出了一个新的思想相似的大坝工程的风险评估。

1。介绍

混凝土大坝一般大型和复杂的结构设计和施工过程。因此,大坝的安全性和稳定性可能会影响在设计和施工过程中如果出现任何错误。裂缝是主要的反射与衰老和恶化有关液压混凝土结构,混凝土结构可以显著危害。严重的裂缝加速混凝土碳化和侵蚀和破坏结构的完整性和密封性。因此,混凝土结构的强度和稳定性降低。轻微的裂缝也会影响结构的耐久性和外观,可能发展成严重的裂缝。如表所示1(1,2),在许多水电站混凝土裂缝发生。

表1
与裂缝(大坝的例子1,2]。

目前,应力、应变、位移和其他传统的监控措施常常被用于评价大坝的稳定身体,一面山坡,特大型隧道和地下空洞。常规监测可以有效地检测工程结构中的主要变形或宏观不稳定性。然而,之前的前兆主要变形或宏观不稳定很难监控。作为坝体的主要材料,混凝土具有明显的脆性特征。裂隙最初出现时,表面变形并不突出,和能量释放逐渐增加时,裂隙在混凝土积累和传播。一般来说,大型断裂带的形成之前,大量的裂隙将周围形成潜在的裂缝。使用微震的(MS)监测技术,微裂缝可以接收信号。通过分析这些信号,裂隙的属性(即。,time, location, energy, and magnitude) in the concrete dam can be deduced using data inversion. Finally, according to the size, density, and concentration of the microfractures, the development trend of the macrofractures may be deduced and the potential risk of the dam can be forecasted [3]。

在过去的二十年里,作为一个三维的,实时监控技术、女士监测技术已广泛应用于评估工程危害涉及岩石斜坡(3- - - - - -5],深部开采[6- - - - - -13)、隧道(14- - - - - -16),地下厂房洞室(17,18),石油和天然气存储(19,20.),和核废物处理(21,22]。例如,徐et al。3)建立了一个动态地质构造之间的关系和女士事件的空间分布和评估高岩石边坡的稳定性基于活动的女士。古德马和波特凡10)提出了一种工程方法在硬岩矿山管理地震风险。基于事件女士的进化法则,冯et al。15总结和探索在深隧道岩爆预测的方法。戴et al。17]介绍了监测技术女士地下厂房开挖之间的关系分析,地质构造,女士集群。两个原位实验(加拿大原子能有限公司(加拿大)在地下矿山通过实验研究实验室(URL) (21和SKB的Zedex实验22]),由核废料行业应用监测女士量化excavation-induced岩石骨折。

摘要女士监测技术应用于一个具体的大坝项目。混凝土三点弯曲破坏试验和大坝裂缝的演变趋势进行了研究使用女士监测技术和数值模拟。坝体的压裂区域潜力评估和预测监控和仿真结果的基础上,它提供了一个重要的技术方法来预测大体积混凝土工程在水电施工。

2。女士监控原理

在内部和外部力量或温度变化下,弹塑性能量集中在当地的弹性和脆性材料。能量积累到一定阈值后,它将导致裂隙的生成和扩张弹性波或压力的释放(14,23]。较低的弹性波能量被定义为在地质微震。每个女士信号包含丰富的信息,如位置,源半径,明显压力,大小,和能量释放,从而揭示岩体的内部变化。女士根据传感器灵敏度和有关工程大小,可以收到一个女士信号传感器,安装在大约100的位置,女士,如图1。通过分析震动图女士,震源信息可以获得。因此,岩石的宏观裂缝的潜在故障趋势可以推导出基于大小,浓度,裂隙密度(3]。


图1
原理图的监测。

女士监测技术的主要特点如下:( 女士)这种技术可以捕获信号macrodestruction发生之前;( ),这种技术可以直接确定时间,地点,和能量释放内部裂缝的工程;( )传感器可以安装远离破坏,确保监控系统运行很长一段时间没有被摧毁;和( 这种技术可以覆盖一个大型监控区域。引发的地震震级,岩体的破坏,这常常发生在工程,通常低于3(如图2)。因为工程的讨论范围的大小通常小于天然地震的范围(高于3),地震现象可以称为“微震”在岩石力学24]。


图2
范围的大小。

3所示。三点弯曲破坏试验为一个具体的示例

3.1。女士三点弯曲破坏试验的监测系统

混凝土是一种复合材料组成的水泥粘贴和聚合粒子。有许多原生的微孔和微裂隙承载之前发生。当负载增加,新的微裂隙逐渐传播,形成宏观裂纹。然后,宏观裂缝不断扩大,导致混凝土的失败。女士研究了混凝土裂缝的特征,一个具体的示例( 厘米)是生产现场,antibending与简支梁三点缓慢加载破坏试验方法进行。混凝土的单轴抗压强度样本25 MPa。样品底部的左边是克制的 , , 方向,而样品底部的右边是克制的 和 的方向。加载增量5 ~ 20 kN中间的具体示例。六个加速度计,50到5000赫兹的频率响应(公差带±3 dB),被安置在一个数组的具体示例。安装地区摩擦抛光机,和传感器与石膏固定。传感器的空间布局图所示3。采样频率的采集系统被设定为20 kHz的实时数据采集。加载和监测时间大约是1.5 h。


图3
传感器空间布局的具体示例。
3.2。RFPA3 d三点弯曲破坏试验的模型

(现实的失败过程分析)是一种有限元商业软件的开发的代码大连Mechsoft公司。它是一个数值应力分析工具用于处理材料的破坏过程。它可以执行在应力-应变分析,声排放,和潜在的混凝土破坏面,岩石样本,和工程。力学参数的异质性(即。,Young’s modulus, Poisson’s ratio, cohesion, and friction angle) is considered using the Weibull distribution in 按照概率密度函数的定义: 在哪里 元素的参数, 规模参数相关元素的平均参数,然后呢 是同质性指数,它定义了分布函数的形状,代表了材料均匀度(25,26]。

假定为理想弹塑性有限元模型。其装卸由弹性损伤力学行为描述。针对摩尔-库仑准则的最大拉应力准则和选定的元素和被定义为失效准则 在哪里 最大主应力, 最小主应力, 单轴抗压强度, 是拉应力, 摩擦角。逐步退化的材料由起始诱导、传播、和裂缝的聚结。因此,压裂过程的数值结果可以反映材料的损伤演化受加载(25,26]。

基于混凝土样品的实际尺寸图3, 模型建立了长度为500厘米,宽50厘米,高50厘米,如图4。这个模型是完全离散成75049个元素。混凝土和钢筋的力学参数如表所示2和包括杨氏模量( ),泊松比( ),单轴抗压强度( )、抗拉强度( )和均匀性指数( )。边界条件完全相同的现场试验。下的渐进破坏过程的具体实现渐进位移控制加载和每个加载步骤是0.02毫米。失败的元素时压力逐渐增加。每个失败的元素释放弹性能量存储,这被认为是一个AE源(27]。AE数是成正比的数量没有在具体的示例中,元素和应变能释放的元素捕获失败。模拟三点弯曲破坏试验更实际的是,数值模拟三个钢筋用于加载方便。如图3双方的底部和顶部的中间是我梁加载的安排。

表2
混凝土和钢筋的力学参数。

图4
三点弯曲破坏试验的数值模型。
3.3。女士监测和数值模拟的结果

如图5,力值、AE数和累计AE数在失败过程中混凝土的样本。AE数的变化,表明混凝土梁后没有破坏载荷达到最大值。混凝土梁的承载力逐渐降低。换句话说,没有明显的脆性断裂出现在坝体混凝土材料。


图5
力的变化、AE数和累计AE数在失败过程中位移的三点弯曲破坏试验。

图6显示了裂隙的空间分布利用数值模拟和现场试验监测女士(一个视图支持端面的混凝土梁)。根据图6负载后,立即添加到样本,原生的裂缝在中间和两边的模型被压缩或扩展。因此,压裂点在这个阶段被随机分布在模型中。在23个样本上的加载阶段,压裂点主要集中在混凝土梁的中间。当负载增加时,压裂点很少的空间分布发生了变化。当样品最终破裂,破裂点的空间分布的数值模型与女士监测结果是相一致的。大多数压裂点集中在中间的样品,使样品断裂。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
空间分布的裂隙的三点弯曲破坏试验。(一)数值模拟和监测女士(b)。

图7显示了最终的破裂状态的数值模拟和现场试验的样本。混凝土梁的承载力从三点弯曲现场试验和数值模拟获得了155 kN - 148 kN,分别。之间的相对误差现场试验和数值模拟是大约4.5%。因此,混凝土三点弯曲破坏试验的结果,从数值模拟获得,几乎是一致的与现场试验。小差异可能源于两个主要原因。首先,模拟和现场试验加载方法相似但不完全一致。我梁连接使用的现场试验样品。虽然接触面积很小,仍有一些差异可能与数值模拟采用钢筋。另一个原因是异质性。均匀性指数被用来更好地反映混凝土的真实性质。 In this simulation, the homogeneity index was set as 4 based on an empirical analysis. However, there remains a difference between the homogeneity index in the simulation and the real heterogeneity in the field test.

(一)
(一)
(b)
(b)
图7
最后破裂的混凝土梁(一)数值模拟,和(b)现场试验。

4所示。女士的裂缝监测和数值模拟坝体Guanyinyan水电站

4.1。女士在坝体监测系统

Guanyinyan水电站位于四川省和云南省之间的金沙江中游,中国,如图8。这个站的总装机容量为3000兆瓦。三峡大坝是由混凝土重力坝的左岸和右岸堆石坝。混凝土重力坝身高159.00米和816.65米的长度,和堆石坝身高71.00米和341.35米的长度。然而,在建设混凝土重力坝,几十个裂缝长度的低坝出现几美元到几十米。裂纹发展无疑将危及大坝的安全,特别是在蓄水过程和水位的变化。因此,一个女士系统应用于监控大坝裂缝的发展趋势。


图8
Guanyinyan水电站的照片。

监控系统是由工程地震学女士组(ESG),加拿大,和主要由6个传感器,圣骑士数字信号采集系统,亥伯龙神数字信号处理系统。根据裂纹形状,6个传感器,包括5单轴加速度传感器和1三轴加速度传感器,安装在相对的坝体。传感器组成了一个空间网格结构更好的定位精度(28),如图9。传感器的安装孔两侧对称分布的裂缝。安装孔和裂纹之间的距离大约3.5米。传感器的安装孔的深度符合裂缝,从1.5到6.0米。女士监测系统操作从2014年3月到2014年12月的正常操作比女士监测系统是大约85%。


图9
空间布局的传感器的大坝。
4.2。RFPA3 d坝体的模型

因为伟大的深度和长度# 12大坝裂缝的部分,这个部分是典型的模拟。大坝# 12的截面图所示10 ()。坝基范围在这个模型中延长30米的上游和下游的方向,而垂直方向40 m(见图10 ())。此外,长3.5米,宽10毫米附近裂纹预制基础灌浆廊道# 1(见图10 (b))。这个模型离散成网格,包含296990个元素(参见图10 (c))。表3显示了力学参数的混凝土坝体和坝基的岩石。除了上游和下游大坝、所有边界表面通常被克制。此外,上游水压力和扬压力被认为是蓄水后。

表3
混凝土和岩石的力学参数。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图10
大坝的数值模型。
4.3。女士监测和数值模拟的结果

坝体的实际工作条件如下。( )从3月到2014年6月,上游水位呆在海拔约1030米,大约15米高于在监控区域。( )从2014年7月至9月,上游水位呆在海拔约1030米- 1080米,高出15 - 65在监控区域,和水位偶尔会在此期间增加或减少。( )2014年10月下旬,水库的蓄水正式开始,到2014年12月底,水位在海拔约1130米,115米高于在监控区域。

直到2014年12月31日,几个原始事件记录,其中大多数是干扰信号。通过全面分析波形识别和自动扫描和通过与监测的结果对比混凝土模型试验、波形的频率,能量和事件的大小特征,定位结果,和其他特征参数,104女士具体事件被识别和筛选。女士根据监测结果和现场工作条件,女士的比较分析进行监控和蓄水前后的数值模拟。

4.3.1。蓄水前

图11显示监控女士之间的比较分析和数值仿真结果蓄水前的水平。根据监测结果高于2014女士,女士事件和附近的混凝土主要发生在右边的现有裂纹在1015年平台,大坝部分# 12(几个女士事件发生在裂纹)的上游侧,在6米的深度。大多数女士小震级事件发生在地表附近,而事件发生大震级和高能女士比现有的裂缝(即。在海拔1009 - 1012米)。根据投影图的通道底座,女士事件分布形式的条纹在海拔1015米,和条纹的位置是在现有裂纹的右侧。一个球体代表一个女士的事件。球体的颜色代表的大小事件,女士和球体的大小代表女士的能量释放事件。从2014年6月到9月期间,一些低能女士的事件发生在8月主要是因为突然变化的水位和重大变化的环境压力监控对象。

(一)
(一)
(b)
(b)
图11
空间分布的裂隙的蓄水前的坝体监测数据女士(a),和(b)数值模拟数据。

正视图所示,在油气上下游方向和垂直方向的坝体,事件女士的范围增加蓄水前(见图(11日))。数值模拟的结果不能反映了裂隙的时态特征(见图11 (b))。代表加载步骤提取从蓄水前的数值模拟过程,只有两个结果的空间分布特性进行比较。根据数值模拟结果,压裂点的密度也增加,垂直扩展加载的进步。结果符合女士监控。

从 - - - - - - 平面视图中,我们发现之前的事件主要集中在两个领域女士蓄水(图(11日)红色虚线框内):左边的上游及周边和右边的裂缝(左,右两侧划分基于坝体的左边和右边的银行)。根据断裂点的范围是位于现场监测,局部范围的数值模拟也被选中。上的分布 - - - - - - 飞机与监控特点(图是一致的11 (b)紫色的虚线框内)。压裂点主要集中在裂缝和现有裂纹的上游端。上游是空的时,坝踵在整个坝体最严重受损。因此,有更多的裂隙分布在上游坝踵附近的结束,这是与应力分析的结果一致。

4.3.2。蓄水后

图12女士展示了空间分布的监测和蓄水后的数值模拟结果。一般来说,2014年11月和12月之间在蓄水后,一些具体的事件发生时,女士和女士聚合是软弱的监测区域(见图12(一个))。女士事件主要是分布在左边和现有的裂缝(海拔1012 - 1015米)和深度是0 - 3 m。一般来说,一些女士事件被检测到,但是他们中的大多数显然是集中与小震级和低能量。

(一)
(一)
(b)
(b)
图12
空间分布的microfrctures蓄水后坝体监测数据女士(a),和(b)数值模拟数据。

在图12 (b),当水的埋藏深度的上游坝体达到120 m,压裂点主要集中在坝踵和地板的两个基础灌浆坝踵附近的画廊。注意,少量裂隙发生在地板的下游端基础灌浆廊道# 1现有裂缝分布。这些结果与现场监测数据一致。

在正常操作条件下,典型的微裂缝在大坝部分点明显减少,因为在坝体的施工,坝体的重量不断增加,和坝体的应力调整阶段。因此,裂隙的混凝土逐渐压实,甚至消失了。蓄水开始时,混凝土材料裂缝的数量减少,而非连贯性稍稍缓解了一些。因此,微裂缝点的数量减少。

5。结束语

女士使用数值模拟和监测方法,混凝土三点弯曲试验的模型和微裂缝演化特征的坝体蓄水期间进行了研究。坝体的整体破坏趋势进行了综述和展望。此外,压力状态,具体样本的位移变化,“大坝body-dam基金会”系统进行分析。主要结论如下:(1)根据字段之间的比较分析三点弯曲试验和数值模拟,断裂模式的具体数值模拟与现场试验的结果一致,证明了可行性的监控系统在监控女士巨大的混凝土裂隙。(2)一个女士在重力大坝监测系统建立了。女士事件主要集中在上游的左侧,右侧,蓄水前的裂缝。蓄水后,女士事件的数量减少。女士事件主要是分布在左边和现有的裂缝(海拔1012 - 1015米),和深度是0 - 3 m。(3)有限元方法被用来研究坝体裂隙的演化,尤其是在基础灌浆廊道# 1。不同工作条件对裂缝的影响研究,和crack-generation机制进行了分析。女士之间的比较分析进行现场监测和数值模拟的结果。结果是相互一致的。因此,一个新的想法可以提供后续大体积混凝土液压结构的监测。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢中国国家自然科学基金会的资金支持(U1262206号和51374149)。此外,作者要感谢PowerChina昆明工程有限公司给予的支持和帮助在监测女士Guanyinyan水电站。