300m級高拱壩結構問題研究

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300m級高拱壩結構問題研究（96－221－04）是“九五”國家重點科技攻關項目“高壩工程技術研究”的第4個課題?？萍脊リP是結合即將興建的小灣和溪洛渡兩座特高混凝土拱壩進行的。小灣拱壩高292m，溪洛渡拱壩高278m，均超過了目前世界最高的格魯吉亞英古里拱壩（高272m）。本課題包括3個專題：①高拱壩應力控制標準研究；②高拱壩新型合理體型的研究和應用；③高拱壩壩基抗滑穩(wěn)定研究?，F(xiàn)將主要成果分述如下：

　　（1）用三維有限元法模擬大壩施工和運行過程，系統(tǒng)地分析了常規(guī)設計中沒有考慮的各項因素對拱壩應力狀態(tài)的影響，如封拱前壩內溫度變化引起的初應力、橫縫不抗拉、施工過程、非線性溫差等對高拱壩應力的影響。用有限元法和多拱梁法對國內外十余座已建高拱壩進行了詳細應力分析，研究了不同計算方法、不同計算軟件、不同網格形式對拱壩應力的影響。對國內外已建的66座高拱壩的計算應力、實測應力和變位、應力控制標準、混凝土力學特性、實際運行情況及各國現(xiàn)行拱壩設計規(guī)范進行了整理和綜合分析，摸清了在拱壩設計中已經考慮的和沒有考慮而實際存在的各種因素對高拱壩應力狀態(tài)的影響，為制定新的拱壩應力控制標準奠定了基礎。

　?。?）現(xiàn)行拱壩應力控制標準存在不少缺點，如應力控制標準與建筑物重要性無關、允許拉應力與混凝土強度無關、不同計算方法和不同計算軟件算出的應力數(shù)值相差較大，但允許應力值是相同的，缺乏有限元法的應力控制標準等。在總結國內外拱壩建設實踐經驗的基礎上，結合理論分析，提出了一套新的高拱壩應力控制標準，克服了現(xiàn)行拱壩設計規(guī)范中的缺點，允許應力與建筑物重要性和混凝土強度掛鉤，給出了有限元法、拱梁分載法及不同軟件的允許應力，反映了國內外拱壩建設的實踐經驗和科技進步，計算簡單，與已有工程對比，也切實可行。

　　（3）提出并完善了兩種拱壩新體型：混合曲線拱壩和二次曲線拱壩，與現(xiàn)有各種拱壩體型相比，具有明顯優(yōu)勢，在允許應力相同條件下，壩體體積可節(jié)省10%以上，在體積相同的條件下，最大應力可降低10%以上。經過最近幾年的積極推廣，混合曲線拱壩已建成的有金龍、奇藝、銅山一級等拱壩，二次曲線拱壩已建成的有下會坑、溪尾、東吳等拱壩，尚有3座在建。由于拱壩體型優(yōu)化和新體型的推廣應用，已建和在建拱壩的累計經驗效益達1.89億元。

　?。?）完善了拱壩動力優(yōu)化的數(shù)學模型、求解方法和工程應用，首次采用了能量模型。完成了拱壩雙目標優(yōu)化的方法和程序，可同時考慮造價和安全性，并應用于小灣拱壩，對多目標（壩體體積、應力、拉應力區(qū)大小、失效概率等）拱壩優(yōu)化進行了探索，并對小灣拱壩的多目標優(yōu)化得到了初步成果。

　?。?）對周邊縫、底縫拱壩進行了詳細的三維非線性分析，深化了對設縫拱壩的認識，并提出了設縫拱壩的優(yōu)化模型和程序。

　　（6）通過大量模型試驗和非線性有限元分析，研究了孔口配筋對裂縫開度、深度及拱壩安全度的影響，提出了合理的配筋方式和新的拱壩孔口配筋公式，用鋼量可節(jié)約25%.

　?。?）首次提出了地震區(qū)高拱壩跨縫配筋的設計準則和計算方法，并結合小灣拱壩進行了分析。

　　（8）提出了計算拱壩壩肩穩(wěn)定的三維極限分析方法，這是基于塑性力學上限解的一種新方法，并編制了相應的電算程序，理論基礎較扎實，計算功能較強。

　?。?）建立了小灣水電站壩址區(qū)的水文地質模型，提出了密集排水孔的流量結點分配快速計算方法和帶有潛水面的干區(qū)虛擬流動的不變網格有限元分析方法，研究了地表入滲對邊坡穩(wěn)定不利的暫態(tài)孔隙水壓力的變化規(guī)律，提出了小灣拱壩基礎滲控布置方案。

　?。?0）采用彈黏塑性理論、三維剛體彈簧元、剛體極限平衡法等多種分析方法評價小灣和溪洛渡拱壩壩肩在動力和靜力條件下的抗滑穩(wěn)定性，搜索出兩岸壩肩最小穩(wěn)定安全系數(shù)的塊體；采用三維彈塑性有限元法和大型地質力學模型，考慮壩址區(qū)主要斷裂構造以及洞塞、井塞、錨固等加固措施，對小灣拱壩加固前后的整體穩(wěn)定性進行了對比分析，得出加固處理后小灣拱壩的超載能力。

　?。?1）研究了高拱壩沿建基面失穩(wěn)的破壞機理，采用線性和非線性有限元方法，對小灣拱壩強度、穩(wěn)定及可能的破壞形式進行了分析，得出了小灣拱壩沿建基面有足夠的抗滑安全性的結論。

　?。?2）提出了拱壩封拱溫度場的兩種優(yōu)化模型，探討了小灣拱壩最優(yōu)封拱溫度及實施方法。

　?。?3）提出了對拱壩安全度進行宏觀評定的兩個新的方法；拱壩應力水平系數(shù)和安全水平系數(shù)，比目前采用的拱壩柔度系數(shù)更為合理。

　?。?4）對提高拱壩混凝土強度等級進行了探索，從壩體應力、溫度控制、彈性穩(wěn)定、抗地震及材料特性等方面進行分析后得出結論：適當提高拱壩混凝土強度等級是可行的，并可帶來顯著經濟效益。

　　（15）改進了Hoek－Brown巖體強度理論，針對含斷續(xù)節(jié)理巖體強度的各向異性特性，推導出m、S的變化規(guī)律，并預測了小灣巖體力學參數(shù)，研究了含斷續(xù)節(jié)理巖體的破壞機理。

　?。?6）全面、深入地研究了拱圈線型，不同的拱圈線型對壩體混凝土體積的影響可達20%～30%，給出了優(yōu)選拱圈線型方法和程序。

　?。?7）建立了多裂隙巖體在初始損傷、損傷演化和塑性損傷變形狀態(tài)下的三維彈塑性損傷本構模型；研究了可以反映錨桿（索）加固機理的損傷巖錨柱單元，并根據(jù)能量等效原形和變形相容條件推導了巖錨柱單元的彈性損傷系數(shù)及損傷巖錨柱單元對巖體剛度的影響。