300m級(jí)高拱壩結(jié)構(gòu)問題研究

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300m級(jí)高拱壩結(jié)構(gòu)問題研究（96－221－04）是“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“高壩工程技術(shù)研究”的第4個(gè)課題?？萍脊リP(guān)是結(jié)合即將興建的小灣和溪洛渡兩座特高混凝土拱壩進(jìn)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(gè)專題：①高拱壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)研究；②高拱壩新型合理體型的研究和應(yīng)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：

　?。?）用三維有限元法模擬大壩施工和運(yùn)行過程，系統(tǒng)地分析了常規(guī)設(shè)計(jì)中沒有考慮的各項(xiàng)因素對(duì)拱壩應(yīng)力狀態(tài)的影響，如封拱前壩內(nèi)溫度變化引起的初應(yīng)力、橫縫不抗拉、施工過程、非線性溫差等對(duì)高拱壩應(yīng)力的影響。用有限元法和多拱梁法對(duì)國內(nèi)外十余座已建高拱壩進(jìn)行了詳細(xì)應(yīng)力分析，研究了不同計(jì)算方法、不同計(jì)算軟件、不同網(wǎng)格形式對(duì)拱壩應(yīng)力的影響。對(duì)國內(nèi)外已建的66座高拱壩的計(jì)算應(yīng)力、實(shí)測(cè)應(yīng)力和變位、應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)、混凝土力學(xué)特性、實(shí)際運(yùn)行情況及各國現(xiàn)行拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了整理和綜合分析，摸清了在拱壩設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮的和沒有考慮而實(shí)際存在的各種因素對(duì)高拱壩應(yīng)力狀態(tài)的影響，為制定新的拱壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

　　（2）現(xiàn)行拱壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)存在不少缺點(diǎn)，如應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)與建筑物重要性無關(guān)、允許拉應(yīng)力與混凝土強(qiáng)度無關(guān)、不同計(jì)算方法和不同計(jì)算軟件算出的應(yīng)力數(shù)值相差較大，但允許應(yīng)力值是相同的，缺乏有限元法的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)等。在總結(jié)國內(nèi)外拱壩建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析，提出了一套新的高拱壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，克服了現(xiàn)行拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范中的缺點(diǎn)，允許應(yīng)力與建筑物重要性和混凝土強(qiáng)度掛鉤，給出了有限元法、拱梁分載法及不同軟件的允許應(yīng)力，反映了國內(nèi)外拱壩建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科技進(jìn)步，計(jì)算簡(jiǎn)單，與已有工程對(duì)比，也切實(shí)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(shì)，在允許應(yīng)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(yīng)力可降低10%以上。經(jīng)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(jí)等拱壩，二次曲線拱壩已建成的有下會(huì)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(yīng)用，已建和在建拱壩的累計(jì)經(jīng)驗(yàn)效益達(dá)1.89億元。

　?。?）完善了拱壩動(dòng)力優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型、求解方法和工程應(yīng)用，首次采用了能量模型。完成了拱壩雙目標(biāo)優(yōu)化的方法和程序，可同時(shí)考慮造價(jià)和安全性，并應(yīng)用于小灣拱壩，對(duì)多目標(biāo)（壩體體積、應(yīng)力、拉應(yīng)力區(qū)大小、失效概率等）拱壩優(yōu)化進(jìn)行了探索，并對(duì)小灣拱壩的多目標(biāo)優(yōu)化得到了初步成果。

　?。?）對(duì)周邊縫、底縫拱壩進(jìn)行了詳細(xì)的三維非線性分析，深化了對(duì)設(shè)縫拱壩的認(rèn)識(shí)，并提出了設(shè)縫拱壩的優(yōu)化模型和程序。

　?。?）通過大量模型試驗(yàn)和非線性有限元分析，研究了孔口配筋對(duì)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則和計(jì)算方法，并結(jié)合小灣拱壩進(jìn)行了分析。

　?。?）提出了計(jì)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(xué)上限解的一種新方法，并編制了相應(yīng)的電算程序，理論基礎(chǔ)較扎實(shí)，計(jì)算功能較強(qiáng)。

　　（9）建立了小灣水電站壩址區(qū)的水文地質(zhì)模型，提出了密集排水孔的流量結(jié)點(diǎn)分配快速計(jì)算方法和帶有潛水面的干區(qū)虛擬流動(dòng)的不變網(wǎng)格有限元分析方法，研究了地表入滲對(duì)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(chǔ)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(píng)價(jià)小灣和溪洛渡拱壩壩肩在動(dòng)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(zhì)力學(xué)模型，考慮壩址區(qū)主要斷裂構(gòu)造以及洞塞、井塞、錨固等加固措施，對(duì)小灣拱壩加固前后的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)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(jī)理，采用線性和非線性有限元方法，對(duì)小灣拱壩強(qiáng)度、穩(wěn)定及可能的破壞形式進(jìn)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(jié)論。

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

　　（13）提出了對(duì)拱壩安全度進(jìn)行宏觀評(píng)定的兩個(gè)新的方法；拱壩應(yīng)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(duì)提高拱壩混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行了探索，從壩體應(yīng)力、溫度控制、彈性穩(wěn)定、抗地震及材料特性等方面進(jìn)行分析后得出結(jié)論：適當(dāng)提高拱壩混凝土強(qiáng)度等級(jí)是可行的，并可帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益。

　?。?5）改進(jìn)了Hoek－Brown巖體強(qiáng)度理論，針對(duì)含斷續(xù)節(jié)理巖體強(qiáng)度的各向異性特性，推導(dǎo)出m、S的變化規(guī)律，并預(yù)測(cè)了小灣巖體力學(xué)參數(shù)，研究了含斷續(xù)節(jié)理巖體的破壞機(jī)理。

　?。?6）全面、深入地研究了拱圈線型，不同的拱圈線型對(duì)壩體混凝土體積的影響可達(dá)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(gòu)模型；研究了可以反映錨桿（索）加固機(jī)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(dǎo)了巖錨柱單元的彈性損傷系數(shù)及損傷巖錨柱單元對(duì)巖體剛度的影響。