本文摘要：原标题：基于性态仿真的特高拱坝设计研究与应用之一——我国拱坝结构分析方法生长现状与展望摘 要：300 m级拱坝坝高、库大、应力水平高、施工运行期事情性态庞大,《混凝土拱坝设计规范》(DL/T 5346—2006)(以下简称《规范》)的分析方法和宁静系数能否涵盖所有宁静风险,存在疑问;《规范》要求,坝高峻于200 m的拱坝,应对上述有关问题举行专门论证。

原标题：基于性态仿真的特高拱坝设计研究与应用之一——我国拱坝结构分析方法生长现状与展望摘 要：300 m级拱坝坝高、库大、应力水平高、施工运行期事情性态庞大,《混凝土拱坝设计规范》(DL/T 5346—2006)(以下简称《规范》)的分析方法和宁静系数能否涵盖所有宁静风险,存在疑问;《规范》要求,坝高峻于200 m的拱坝,应对上述有关问题举行专门论证。联合笔者所在团队十余年来跟踪小湾、锦屏一级、溪洛渡、拉西瓦等特高拱坝建设全历程开展的科研事情,对特高拱坝结构研究的履历类例如法、应力分析方法、稳定分析方法、抗震宁静分析方法的基本观点、工程应用、主要优缺点和生长趋势举行论述和分析,联合差别设计阶段的目的和资料细化水平,提出了特高拱坝可行性研究设计、招标设计、施工图设计、蓄水与运行等差别阶段应该开展的分析事情以及建议接纳的分析方法,也可为一般拱坝的设计提供参考。关键词：特高拱坝; 性态仿真; 设计阶段; 分析方法;作者简介：刘毅(1979—),男,正高级工程师,水电中心主任,结构质料研究所所长,博士,研究偏向为高坝真实事情性态分析、大要积混凝土温控防裂等。

Email:liuyi@iwhr.com;基金：国家重点研发计划项目(2018YFC0406703);国家自然科学基金项目(51779277);中国水科院科研专项(SS0145B612017,SS0145B392016);中国水科院科研专项(EM0145B192019);流域水循环模拟与调控国家重点实验室自主研究课题(SKL2020ZY10);引用：刘毅，杨波，张敬，等． 基于性态仿真的特高拱坝设计研究与应用之一: 我国拱坝结构分析方法生长现状与展望［J］. 水利水电技术，2020，51( 10) : 41-54.LIU Yi，YANG Bo，ZHANG Jing，et al． Performance simulation-based study on design of super-high arch dam and its application Part I: development status and prospect of structural analysis method for arch dam in China［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 10) : 41-54.0 引 言在近十余年来的我国水电开发岑岭期中,特高拱坝的建设占据着显著而重要的位置。小湾拱坝(坝高294.5 m)、拉西瓦拱坝(250m)、锦屏一级拱坝(305m)、溪洛渡拱坝(285.5m)已经建成投产,并接受了正常蓄水位的磨练;白鹤滩拱坝(坝高289 m)、乌东德拱坝(坝高270m)浇筑高程已经由半。在上述拱坝建设之前,我国已建成的最高拱坝是1998年竣工的二滩拱坝(坝高240m),这十余年的特高拱坝建设将我国的拱坝建设实践从200 m级提升至300m级。300 m级特高拱坝应力水平高,根据《混凝土拱坝设计规范》(DL/T 5346—2006)(以下简称《规范》)方法盘算获得的压应力靠近或到达10 MPa,与普通拱坝主要受拉应力控制差别,特高拱坝的拉、压应力均到达《规范》允许应力的临界值,整体宁静裕度小于普通拱坝,对拱坝整体性和防裂要求高;其次,混凝土强度品级高,混凝土高强与高抗裂矛盾突出,混凝土绝热温升和后期温度回升较大,且由于特高拱坝坝体较厚、浇筑快尺寸大,低温封拱温差大,同等条件下温控防裂的难度大;再次,出于提前发电的需要,分期浇筑、封拱与蓄水以及在施工历程中的诸多调整使得施工期的事情性态与初始设计状态泛起较大差异,施工期拱坝事情性态十分庞大,拱坝施工期悬臂高度等高差增加,可能会导致施工期拱坝事情状态的恶化。

为此,文献[1]和文献[2]特别指出:坝高峻于200 m或有特殊情况的拱坝工程,应举行专门研究。潘家铮院士在为《特高拱坝枢纽分析与重点问题研究》一书的序中指出:“应尽可能准确地仿真盘算特高(拱)坝在运行后的事情状态”。围绕小湾、溪洛渡、锦屏一级等一批300 m级特高拱坝的建设需求,科研事情者围绕300 m级特高拱坝建设难题开展了大量科研事情。朱伯芳等联合小湾工程围绕高拱坝应力控制尺度开展了深入的研究,提出了接纳多拱梁法和有限元法举行拱坝应力分析时的控制尺度。

周维垣等[6,7]提出了基于有限元方法和地质力学模型试验的高拱坝稳定性设计判据。任青文[8]在恒久研究基础上,总结了高拱坝应力变形分析、破坏分析和宁静度评估的种种方法及其准则。张国新等[9]提出了高拱坝全坝全历程仿真分析方法,开展了思量真实应力状况的宁静度评估研究。实际上,在差别设计阶段,由于目的与资料深度差别,需要接纳差别的分析方法来研究特高拱坝的事情性态,依据分析效果不停深化细化设计方案。

笔者所在团队全历程到场了小湾、锦屏一级、溪洛渡、拉西瓦等特高拱坝建设全历程开展的科研事情,本文系统梳理了我国现有特高拱坝分析方法,对差别分析方法的优缺点举行评述,联合差别设计阶段需求,提出了差别设计阶段应该开展的分析事情,可为高拱坝的设计提供参考。1 履历参数与工程类比分析法对于拱坝而言,有一些简朴的参数可以履历性判断拱坝体形参数是否合适,如有宽高比、厚高比、柔度系数等。其中:宽高比是指坝顶高程处河谷宽度与坝高之比,用来形貌河谷形状,一般而言,宽高比大于4.5的河谷不适合修建拱坝;厚高比是指拱坝最大高度处的坝底厚度与坝高之比,一般而言,厚高比小于0.2的是薄拱坝,厚高比大于0.2小于0.35的是中厚拱坝,大于0.35的是厚拱坝。然而,由于拱坝应力与河谷宽高比、坝体高度及河谷形状等诸多因素有关,单独用厚高比参数难以判断拱坝厚度是否合适,因此,瑞士著名坝工专家LOMBARDI和我国坝工专家汝乃华提出用柔度系数对拱坝厚度举行履历性判断。

柔度系数C的盘算公式如下式中,A为拱坝中面的面积;V为拱坝体积;H为最大坝高。拱坝柔度系数是一无量纲参数,对相同的坝高,C越小,拱坝越宁静。基于其时已建成的工程,Lombardi建议了破损曲线表达式(称为Lombardi曲线),用于对拱坝是否发生开裂破坏举行履历性判别如下朱伯芳基于柔度系数物理内在的分析,获得了柔度系数相同条件下拱坝应力水平与坝高成正比的结论,并提出了拱坝应力水平系数的观点;根据Kolnbrein拱坝的应力水平系数为参照,提出了权衡拱坝体型的表达式(称为朱伯芳曲线)任青文等从强度控制和屈曲控制两个角度,提出了破损曲线的表达式,指出强度和屈曲两者相比之下,拱坝坝体的宁静性一般是由强度控制。如图1所示为海内外典型已建拱坝的柔度系数,其中标出了式(2)和式(3)所表达的Lombardi曲线和朱伯芳曲线。

由图1可知,绝大部门已建工程均位于朱伯芳曲线的下方,可以用柔度系数来开端评估拱坝体型与河谷形状的适配性;位于朱伯芳曲线之上的小湾工程坝高294.5 m,总水推力19 000万kN,是水推力最大的拱坝,工程于2009年蓄水运行至今已有10年,大坝运行性态正常,说明用柔度系数判断拱坝的宁静性有其局限性。实际上,柔度系数并未思量坝基地质条件、温度荷载等因素,因此,柔度系数也仅能作为拱坝宁静定性判断的参考。

图1 典型拱坝的高度与柔度系数2 拱坝应力分析方法2.1 拱梁分载法拱梁分载法是将拱坝视为由一系列水平拱圈和铅直梁组成,荷载由拱和梁配合负担,拱和梁各负担几多荷载由拱梁交点处变位协调条件决议;荷载分配后,梁按静定结构盘算应力,拱按纯拱法盘算应力。早期的拱坝应力分析将坝体划分为一系列互不相干的水平拱圈,然后用圆筒和固端拱观点举行二维应力分析。美国工程师在19世纪末提出了拱冠梁法的观点,今后经西欧工程师不停研究革新,直至1917年,瑞士坝工专家运用多拱梁法设计瑞士第一座拱坝Montsalvens拱坝。

20世纪20—30年月,为修建胡佛拱坝,美国工程师对拱梁分载法举行了思量坝基弹性变形、增加切向变位和扭转角的调整、借助单元荷载变位的辅助表格试算求解等诸多革新,拱梁分载法日趋完善。我国于20世纪50年月引入拱梁分载法,在求解方法等方面做了许多革新事情。

之后,随着盘算机的应用和高拱坝的建设,拱梁分载法在我国获得广泛应用。我国体例了许多拱坝拱梁分载法应力盘算分析软件,如中国水科院的ADASO、浙江大学的ADAO以及中国电建成都院的ADSC等,同时这些软件具有拱坝体形优化功效,已广泛应用于我国实际拱坝设计中。

根据我国现行规范划定,压应力按不大于混凝土强度值除以宁静系数来控制,基本工况组合下拉应力按不凌驾1.2 MPa控制,非地震工况特殊组合按不凌驾1.5 MPa控制。拱梁分载法作为我国现行规范中推荐的用于拱坝应力分析的基本方法,盘算事情量小、盘算速度快,海内外数百座拱坝都是以拱梁分载法应力结果为依据举行设计的,是成熟的盘算方法。

可是,拱梁分载法存在着以下不足:接纳Vogt近似方法盘算基础变形,在建基面结点上缺乏变形协调条件,差别拱梁分载法法式盘算效果相差较大,不能盘算坝体孔口影响等等;拱梁分载法盘算获得的应力结果,一般也只作为拱坝应力水平的参考,与坝体实际应力状况有较大差异。随着盘算方法和盘算技术的生长,接纳有限元仿真分析方法盘算拱坝应力,更能反映拱坝真实应力状态,是拱坝中应力分析方法的生长偏向。2.2 线弹性有限元及等效应力法有限单元法通过把盘算域划分为若干单元,选择合适节点作为求解函数的插值点,将微分方程中的变量改写成由各变量节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式,将微分方程离散求解。

自提出伊始,有限单元法就因其求解庞大问题的能力显示出了强大生命力,现在已经成为结构分析领域的主流方法。但到现在为止,拱坝体形设计仍以结构力学方法为主要手段,其主要原因是,用三维弹性有限单元法盘算拱坝应力时,近基础部位存在着显著的应力集中现象,而且应力数值随着网格加密而急剧增加,尤其是有限元法算出的拉应力有时远远凌驾了混凝土的抗拉强度。在实际工程中,由于岩体内存在着巨细不等的种种裂隙,应力集中现象将有所缓和。用拱梁分载法设计的大量拱坝,至今一直在正常运行,有限单元法盘算拱坝所反映的严重应力集中现象并纷歧定切合实际。

为解决有限元盘算拱坝应力存在应力集中,而导致有限元法盘算效果无法直接应用于拱坝体型确定的问题,朱伯芳、傅作新等提出了有限元等效应力法,凭据有限元法盘算的应力分量,沿拱梁断面积分,获得内力(集中力和力矩),然后用质料力学方法盘算断面上的应力分量,经由这样处置惩罚,消除了应力集中的影响。朱伯芳等接纳拱梁分载法和有限元等效应力法对海内外十几座拱坝举行了盘算,盘算效果讲明:有限元等效应力法消除了应力集中的影响,获得的最大主压应力与拱梁分载法靠近,最大主拉应力比拱梁分载法略大一些。现在,拱坝设计规范已将有限元等效应力法作为拱坝应力分析的主要方法,明确提出对于高拱坝和比力庞大的拱坝,应接纳有限元等效应力举行盘算;并划定了相应的设计准则:基本组合工况的允许拉应力根据1.5 MPa控制,压应力控制尺度与拱梁分载法相当。

可是,现在有限元等效应力方法针对盘算模型、界限条件对盘算效果影响的研究仍不充实,行业内也没有提出统一的可操作性的盘算方法与模型尺度,有限元等效应力盘算软件的尺度化仍是有待解决的问题。2.3 非线性有限元法多拱梁法和线弹性有限元均依赖于结构是弹性的这一基本假定,但实际工程中,无论混凝土质料还是岩体质料,均具有显着的非线性特征,尤其是应力集中部位,一旦拉应力超标,混凝土或岩体质料发生开裂,应力获得释放,与按《规范》方法盘算应力会发生较大差异。

同时,由于拱坝是超静定结构,局部开裂后应力会重新调整。为反映结构真实状态,在有限元盘算中需要思量混凝土和岩体质料的质料非线性特征,接纳质料非线性模型或接触非线性模型举行分析。

接纳非线性有限元对拱坝举行应力分析时,坝踵开裂是研究的焦点问题。傅作新等接纳非线性有限元方法研究了拱坝-岩基开裂区规模以及之后变形的变化与应力重漫衍情况,提出在拱坝设计中推广非线性分析方案可以导致更经济的设计和更简朴的拱坝体型。黄文雄等的研究也讲明,与线弹性应力分析方法相比,思量非线性开裂能提供更准确和更全面的结果,坝踵的局部开裂使坝体应力漫衍更为合理,只要控制裂痕深度和渗漏,局部开裂不会造成严重结果。田斌等运用弹塑性有限元研究了Kolnbrein拱坝的坝踵开裂问题,盘算所得开裂区域与实际情况切合较好。

周元德等用工程类比分析法研究了高拱坝坝踵开裂稳定性问题,以已建工程的运行监测资料为依据,接纳同一盘算法式、等同有限元网格对拟评价工程举行平行盘算,从而对拟建工程的坝踵开裂稳定性做出相对评价。笔者所在团队接纳SAPTIS软件中的非线性模块对小湾、锦屏一级、溪洛渡、二滩等特高拱坝工程举行了系统分析,一般仍接纳经典的二参数准则,其中岩体质料多接纳DP准则,混凝土质料多接纳MC准则。弹塑性模型中本构关系一般接纳理想弹塑性模型和脆断模型,少数接纳软化模型和强化模型。损伤模型可以有效反映岩石和混凝土质料软化性能,分析效果与弹塑性模型有一定的可比性,在拱坝性态和宁静分析中获得应用。

实际上,岩体和混凝土质料屈服准则多样,包罗1～5参数的屈服准则,典型的如一个参数的抗拉强度准则、二个参数的Drucker-Prager和Mohr-column强度准则、三个参数的WW准则、四个参数的HTC准则等,屈服准则对拱坝应力盘算效果有一定影响,接纳何种屈服准则更合理,业内也没有统一认识。在我国现有设计规范中,水电行业拱坝设计规范在正文中明确划定:“凭据工程的重要水平和须要性,可接纳非线性有限元法举行弹塑性分析”,在条文说明中划定:“开裂区以0.1B为控制条件,同时要求在应力重分配后,压应力仍能满足要求”。

水利行业拱坝设计规范在正文中对于非线性有限元的应用没有明确划定,但在条文说明中给出了未纳入规范的理由——“难以给出相应的控制指标”。美国陆军工程师兵团拱坝设计规范指出,拱坝周边泛起超标拉应力是因为未思量建基面有限的黏结强度以及岩体内部结构,建议在线弹性有限元盘算中减小基岩变形模量以降低应力集中;美国联邦能源治理委员会水电项目工程审查评估导则指出建基面无法蒙受拉应力,通常需要接纳接触单元举行分析,但详细单元开裂控制规模未明确给出。笔者认为,接纳非线性有限元举行拱坝应力分析更能切合拱坝作为非静定结构局部破损后应力调整的特点,对于一般情况而言,以不拉裂帷幕为原则,以坝踵开裂区以0.1B为控制条件,总体是合适的;对于严寒地域,温降荷载可能导致顶部发生较大拉应力区的问题可以另行划定,区别看待。

思量到非线性盘算效果受网格尺寸影响显着,本构模型和收敛尺度也会对盘算效果发生显著影响,应组织业内科研人员对这些问题举行对比研究,以期建设统一的盘算模型、网格尺寸、本构模型、收敛准则的统一尺度,推动非线性有限元盘算在实际工程中的应用。2.4 全坝全历程仿真分析方法一般的拱坝线弹性有限元或非线性有限元应力盘算中,不思量施工期应力的影响,也较少思量施工历程、封拱历程、蓄水历程对大坝应力的影响;特高拱坝与中小型拱坝相比,存在施工周期长、应力状态庞大、蓄水分期等特点,施工期真实应力状态与设计应力状态存在显著差异。以小湾拱坝为例,小湾拱坝蓄水后,坝踵应力监测值多为压应力,原本预防坝踵开裂的预设底缝也未张开;而在设计期间,险些所有盘算分析都讲明,当蓄水至正常蓄水位时小湾拱坝坝踵存在拉应力,有开裂风险。

二滩、构皮滩等其他拱坝也体现出类似的情况。张国新等的开端分析讲明,坝踵应力盘算值与监测值的差异主要泉源于两个方面:一是实测坝踵应力的局限性;二是盘算模型和荷载简化对应力盘算效果的影响,如,未思量真实的坝体自重施加历程和蓄水历程、未思量封拱后温度回升影响、库底堆渣导致局部高温的影响、坝基岩体局部裂隙张开影响等。实际上,自重等荷载施加历程对大坝应力的影响,很早就引起坝工研究人员的关注:潘永保等[36]36]研究了分期蓄水和分期施工对高拱坝坝体应力的影响;刘华美等基于多拱梁法研究了封拱历程和蓄水历程对高拱坝应力盘算的影响。但在其时,由于盘算方法的局限,施工期温度应力、浇筑、封拱、蓄水历程等因素很难在一个模型中思量。

有限元仿真分析方法的生长,为更准确的应力盘算提供了条件。基于有限元增量法,朱伯芳等建设了混凝土坝温度应力仿真分析的理论方法,早期多应用于混凝土坝块温度应力盘算。张国新等将非一连介质力学中的接触理论引入有限元盘算法式中,突破了群缝模拟收敛性差的关键难题。

在此基础上,张国新等生长了混凝土坝全历程仿真分析的理论方法和软件,可以精致模拟大坝基础开挖历程、回填支护历程、混凝土浇筑历程、横缝灌浆历程、水库蓄水历程、混凝土硬化历程、温度控制历程、时效变形历程、恒久运行历程等,可思量温度、渗流、应力多场耦合,已应用于小湾、锦屏一级、溪洛渡、拉西瓦、大岗山、乌东德、白鹤滩等海内险些所有200 m以上特高拱坝性态分析和宁静评估中。笔者所在团队通过对海内已建在建200m以上特高拱坝全坝全历程仿真分析,对大坝施工-蓄水-运行全历程有了更深的认识。施工期在自重荷载作用下,大坝应力状态与设计应力状态差异显着,坝踵部位压应力可达10MPa以上,而下游面低高程建基面四周往往会泛起拉应力,对于宽河谷、倒悬大的特高拱坝拉应力甚至会凌驾混凝土抗拉强度导致开裂。因此,在施工历程中需要控制大坝悬臂高度,实时成拱,并在上游基坑堆渣充水。

悬臂高度控制、充水时机及高度均应联合仿真结果确定,制止在水压作用下上部未灌浆横缝发生大的压缩效应,缝宽减小,影响接缝灌浆效果。根据现有拱坝设计规范,将温度荷载分为两部门:封拱之前为施工期温度荷载,通过温度应力分析选择合适的温度控制尺度和措施来防止施工期泛起温度裂痕;封拱之后为运行期温度荷载,纳入设计荷载组合,温度荷载思量了平均温差和线性温差,未思量非线性温差。对于特高拱坝施工期温控防裂问题,张国新等开展了大量的研究,提出了“九三一”温控防裂模式。

研究讲明,混凝土温度变化速率尤其在早龄期对温度应力影响十明白显,在智能通水广泛接纳的情况下,可以接纳基于应力历程优化的理想温控曲线举行温度控制,可在相同温差情况下减小开裂风险,或在相同开裂风险控制条件下放宽温控尺度,对于廊道、孔口等特殊仓块和严寒地域混凝土温度应力控制有重要意义。特高拱坝普遍存在显着的封拱后温度回升现象,主要是混凝土后期发烧导致,地温和情况温度影响规模有限,温度回升可能会使大坝在数年甚至数十年内与设计状态差别,在一定水平上会使坝踵区域压应力增大,同时使坝体下游外貌开裂风险加大;特高拱坝上游淤沙或堆渣高度一般在50 m以上,淤沙高程以下温度普遍比设计接纳水库水温偏高,使得大坝真实温度荷载与设计温度荷载存在差异,进而影响大坝温度应力。

水压荷载中,大坝混凝土渗透性险些可以忽略不计,静水压力直接作用在大坝上游外貌,可接纳通例盘算方法分析,但基岩条件庞大,刚蓄水时水压直接作用在基岩外貌,与外貌压力类似,但随着时间延长,水体逐渐向岩体内部渗透,对基岩和大坝性态影响历程庞大。因基岩渗流界限条件很是庞大,现在渗流仿真分析一般用于渗控措施设计复核分析,对基岩和大坝变形与应力影响研究结果较少,张国新等研究讲明渗流会引起一定的基岩变形,在特定水文地质条件下,可能触发岸坡岩体蠕变变形;杨强等研究讲明裂隙水压力会改变岩体平衡状态,使得基岩岩体发生一定变形,进而对大坝性态发生影响。综上,全坝全历程仿真分析方法能较为细致地分析拱坝施工运行全历程事情性态,理应为拱坝设计提供更多的支撑。

但现在限制其应用的因素主要在两个方面:一是盘算模型庞大、规模大,盘算耗时长,随着高性能盘算技术的生长,这一问题将逐步缓解;现在笔者团队正在依托国家十三五“高性能盘算”专项,举行庞大工程力学高性能应用软件高效并行研发,现在最大自由度数已突破十亿级。二是缺乏对应的设计准则。现在,仅《混凝土坝温度控制设计规范》(NB/T 35092—2017)给出了与全坝仿真分析方法配套的应力控制尺度,即:施工期温度应力按不大于混凝土极限拉伸值与弹性模量的乘积除以宁静系数(中、高坝宁静系数取1.5～1.8);可是该控制尺度仅适用于混凝土施工期温控防裂,针对运行期思量种种荷载工况的拱坝宁静评估,由于重要性差异,需要重新研究制定配套的应力控制尺度。

3 拱坝稳定分析方法拱坝作为一种超静定结构,可能的破坏形式包罗坝体自己的强度破坏、坝体的屈曲破坏、沿建基面的滑移、坝肩岩体的滑移以及基础和坝肩岩体过大的压缩变形破坏等,其中沿建基面的滑移和沿坝肩岩体的滑移可作为局部稳定问题举行分析,基础和坝肩岩体过大的压缩变形破坏可以作为整体稳定问题举行分析。3.1 局部抗滑稳定分析方法局部抗滑稳定分析是拱坝设计重要内容,包罗建基面和坝肩岩体的抗滑稳定分析,其中建基面是指沿拱坝与地基接触面及建基面以下浅层基岩内由节理、裂隙等形成的单薄面;坝肩抗滑稳定主要指坝肩岩体沿由断层、节理、裂隙等形成的可能的滑动面的稳定性,常见滑块组合型式有一陡一缓、两陡一缓和门路状滑块等。分析方法可大致分为刚体极限平衡法和三维数值分析法。

刚体极限平衡法是凭据静力平衡条件确定滑移面上的内力,通过滑移面上可使用的剪切强度宁静衡所需要的剪切力获得抗滑稳定系数,凭据对滑动面岩体力学参数的选取,盘算公式分为抗剪和抗剪断两种,这一方法意义明确,盘算简朴,获得广泛应用,是设计规范中接纳的方法;但该方法不思量变形协调条件、质料本构关系以及接触面上应力漫衍,滑移面一般事先假定,是一种宏观平衡的判断方法。关键块体理论是坝肩稳定分析中应用较多的一种方法,其最早由石根华、GOODMAN提出并生长,美国联邦能源治理委员会水电项目工程审查评估导则在坝肩稳定分析中推荐接纳块体盘算。关键块体理论包罗块体可动性分析、运动学分析及稳定性分析三部门,稳定性分析是基于刚体极限平衡法开展的;相对于传统的刚体极限平衡法,关键块体理论的优势在于可以通过几何拓扑分析,清除所有的无限块体和不行动块体,然后通过运动学分析,找出荷载作用下所有可能失稳块体,获得较为直观的岩体稳定情况;但由于关键块体理论是基于几何拓扑理论,也未能思量块体之间相互作用影响。我国拱坝设计规范划定:拱座抗滑稳定分析以刚体极限平衡法为主。

同时也划定了与之相配套的抗剪和抗剪断抗滑稳定宁静系数,如:水利行业规范中,对于1级修建物的基本工况组合,抗剪断稳定宁静系数为3.5。三维数值分析法主要是接纳有限元、有限差分等方法,在网格划分时思量基岩中种种断层、节理、裂隙等结构,接纳线弹性本构关系或非线性本构关系,如D-P准则、MC准则等,举行差别荷载工况组合分析,获得坝体及坝基受力状态,尤其是可能滑面的受力状态,接纳点宁静度、面宁静度和块体宁静度举行稳定判断,其中点宁静度可以用来判断基岩内任意微小部门是否可能发生应力破坏,相识建基面和坝肩基础应力宁静裕度,岩体或断层等结构中低于要求宁静度的点越少越宁静,但点宁静度的巨细控制尺度以及稳定要求的漫衍规模尺度没有明确。面宁静度和块宁静度是在上述差别荷载工况组合分析基础上,通过反力法或应力积分方法等,求出建基面和结构面上的法向力和剪切力,使用抗剪或抗剪断公式盘算面或块体宁静度,这种盘算方法较刚体极限平衡法更靠近真实,能够思量自重、温度、渗流等种种荷载以及岩体-坝体变形协调关系,是重要的生长偏向。3.2 整体稳定分析方法大坝整体稳定分析主要接纳两种方法举行研究,一是地质模型试验方法,二是非线性有限元方法。

地质模型试验属于破坏性试验方法,主要有超载法、强度储蓄法以及超载与强度储蓄相联合的综正当。超载法普遍接纳增大上游荷载的方式举行超载,逐渐加大上游水荷载直至结构破坏失稳,获得的宁静系数为超载宁静系统;强度储蓄为在一定荷载作用下逐步降低力学参数直至失稳破坏,获得的强度储蓄系数反映在恒久运行历程中,由于渗流作用等结构面强度指标逐渐弱化的影响,这一方法与实际情况更为切合,但何种质料(如良好岩体、断层、裂隙以及坝体混凝土)举行强度折减、折减比例(同比例、差别比例等)如那边理现在为止没有统一的认识;综正当是两者联合,即思量可能的突发洪水、地震等荷载,也思量岩体力学参数逐步降低可能性,其中超载法试验条件简朴,易实现,应用最为广泛,停止现在,特高拱坝普遍接纳超载法举行了整体稳定分析,部门举行了强度储蓄法试验。

综正当能够定性地反映大坝整体破坏特征、历程,并通过工程类比判断宁静性,具有一定的工程意义,但鉴于结构和质料相似性问题,事实上难以量化,主要用于定性分析。非线性有限元极限分析方法,是将地质模型试验转变为数值模型试验,接纳超载法、强度折减法或两者联合的方法,通过极限加载或力学参数降低,获得差别破坏尺度的宁静系数,如坝踵起裂、屈服区领悟、结构变形突变或盘算无法收敛等,通过工程类比举行整体稳定性评价。非线性有限元分析方法与模型试验相比,能够思量种种荷载、参数变化,能够适应庞大的破坏路径,具有更准确、更高效、更经济的特点,优势显着,在方案比选时已逐渐替代模型试验方法。但该方法也存在一些关键问题需要进一步研究,体现在网格模型的剖分、本构关系的选用、失稳准则的选取以及宁静系数简直定。

拱坝体型及坝基岩体地质结构庞大,网格划分难度大,经常会有畸形单元存在,加之地质缺陷导致相邻单元质料性质差异很大以及高受力水平,使得盘算收敛难度大,另外网格剖分尺度也会对效果发生一定影响。整体宁静稳定分析中现在仍以弹塑性本构关系为主,但实际工程中可能体现为脆断、软化等特征,损伤本构的接纳一定水平上对该方面举行了弥补,但存在模型多、效果差异大的问题,现在没有较为公认的模型。大坝失稳一般指变形突变和盘算无法收敛,现实情况中可能难以发生,因此提出了却构起裂、屈服区领悟、变形突变、盘算不再收敛等差别状态对应的由小到大差别的宁静系数,对大坝整体稳定举行判断,已在小湾及后续高坝工程设计分析中获得全面应用。我国《混凝土拱坝设计规范》(SL 282—2018)[2]2]中划定:对1级、2级高拱坝或者地质条件庞大的拱坝,应举行拱坝整体稳定分析,并联合工程类比,综合评价整体稳定性;规范正文中未给出定量的控制尺度,但在条文提供了若干工程盘算与试验结果,为设计提供参考。

4 拱坝动力分析方法4.1 拟静力法20世纪30年月初,美国学者以动力分析理论为基础,对拱坝的抗震特性举行详细研究并加以归纳综合,针对差别情况以静力形式给出地震动力荷载漫衍,再按通例的拱坝静力分析方法盘算出坝体地震响应,这就是拟静力法。拟静力法是一种用静力学方法近似解决动力学问题的浅易方法,它在一定水平上思量了却构动力反映的一些基本特征,且物理观点清晰,盘算方法较为简朴,盘算事情量很小,参数易于确定,并积累了富厚的使用履历,便于设计人员掌握和应用,所以在相当长的时间内在世界各国获得了广泛应用。

可是,拟静力法仅仅是对拱坝动力响应的一种大略估算,既无法思量坝体混凝土质料的动力特性,也无法思量地震动的频谱特征和持时影响。从已有研究文献来看,拱坝的强度盘算分析很少接纳拟静力法,拟静力法在拱坝坝肩动力稳定性分析、坝坡地震抗滑稳定性分析等方面有所应用,例如,沈兴正接纳拟静力法和动力法对李家峡拱坝抗震性能举行了复核;刘杰等对拟静力方法举行了革新,基于合理的边坡岩体参数、锚固参数和地震动参数,对地震作用下大岗山坝肩边坡的稳定性举行了盘算,通过对坡体在差别地震加速度下的应力、应变、塑性区及锚索应力举行分析,提出了相应滑移模式,为支护提供了依据。1978年,由中国水利水电科学研究院主编的中国第一部《水工修建物抗震设计规范》(SDJ 10—78)颁布实施,该规范主要接纳了拟静力法求解大坝动力响应。

2000年,对上述78规范举行修编,水利水电行业尺度《水工修建物抗震设计规范》(SL 203—97/DL 5073—2000)颁布实施,该规范实现了分析方法由静力法向动力法的转轨。随着对地震动和拱坝地震响应认识的不停深入,以及地震动输入、质料动力本构模型、数值盘算方法等不停生长成熟,影响拱坝地震响应的诸多庞大因素能够获得较好反映。

我国于2015年又对《水工修建物抗震设计规范》(SL 203—97/DL 5073—2000)举行了修编,颁布实施的《水电工程水工修建物抗震设计规范》(NB 35047—2015)[60]60]划定,对工程抗震设防种别为甲类,工程抗震设防种别为乙、丙类但设计烈度Ⅷ度及以上的或坝高峻于70 m的拱坝的地震作用效应应接纳动力法盘算。从历次规范的修编可以看出,规范也随着数值模拟技术与盘算方法的不停进步而逐步革新,更能反映实际的动力分析方法将获得更大的生长和更多的应用。4.2 反映谱法20世纪40年月,C.W.Housner和H.B.Seed两位美国学者对多条实测地震记载举行了统计,并将实测记载的地面振动划分代入单自由度动力反映方程,盘算出各自最大弹性地震反映,从而获得结构最大地震反映与结构自振周期的关系曲线,即反映谱,由此可盘算出最大地震作用。

与拟静力法相比,反映谱法思量了地震作用随结构自振周期、阻尼以及园地种别的变化,可以更为真实地模拟结构振动。其中,振型剖析反映谱法不需对动力方程做数值积分,盘算存贮量小,运算时间少,盘算历程轻便,易于操作,在地震工程中获得了广泛应用,是我国《水电工程水工修建物抗震设计规范》(NB 35047—2015)划定的抗震设计方法之一。

接纳振型剖析反映谱法盘算拱坝地震响应,地震反映谱简直定十分关键。在我国《水电工程水工修建物抗震设计规范》(NB 35047—2015)中,一般大坝工程的水平向和竖向设计反映谱接纳尺度设计反映谱。尺度设计反映谱的特征周期、反映谱最大值等参数凭据修建物种别、园地种别以及所在地域的Ⅱ类园地基本峰值加速度对应的特征周期等确定。对举行专门的园地地震宁静性评价的抗震设防种别为甲类的大坝工程,由于尺度设计反映谱无法反映工程所处的特定园地的地震特性,设计反映谱应接纳与特定工程场址相关的园地相关反映谱。

园地相关反映谱可以思量各潜在震源区对坝址地质危险性的孝敬值,能够给出震级、震中距一定的详细地震以及该地震在工程场址发生的设计地震动加速度[61]61]。现在,杨房沟、叶巴滩等在建特高拱坝按现行规范划定举行了园地相关反映谱研究,并举行了拱坝动力分析和抗震宁静评价。大岗山、溪洛渡、锦屏一级、小湾等已建特高拱坝也接纳园地相关反映谱和相应的地震动时程举行了抗震复核。

可是,反映谱方法也有局限性,该方法将结构所受的最大地震作用通过反映谱,转化成作用于结构的等效荷载,然后凭据这一荷载用静力分析方法求得结构的地震内力和变形,本质上是线性方法,不能反映结构在地震历程中的履历。同时,反映谱法只能应用于结构的弹性分析,当结构在强烈地震下进入非线性阶段时,用此法举行盘算将不能获得结构真实地地震响应。

因此,对于重要拱坝工程,除了接纳反映谱法盘算拱坝的地震响应外,还应接纳时程法分析拱坝的地震响应历程。4.3 时程分析法时程分析法是本世纪60年月逐步生长起来的抗震分析方法。它凭据选定的地震波和结构恢复力特性曲线,接纳逐步积分的方法对结构运动微分方程举行直接积分,从而求得结构在地震历程中每一瞬时的位移、速度和加速度反映。与反映谱法相比,时程法能够盘算结构在地震作用下的往复运动,能够分析结构从线弹性、非线性至损伤破坏的全历程,可以越发真实地评价结构的抗震宁静性能。

时程法已广泛应用于拱坝的抗震设计与分析中,也是现行规范划定的抗震设计方法之一。接纳时程法举行拱坝抗震设计与分析时,合理确定坝址地震动输入方式是大坝工程抗震宁静性评价的重要前提。通常的做法是将坝体-库水-地基视为整个开放的颠簸体系,思量地基的惯性作用、近域地基岩体中的各种地质结构、远域地基的辐射阻尼效应以及坝基面地震动输入的不匀称性。

现在对于在动力模型界限截断处施加无反射界限条件模拟无限地基辐射阻尼效应,以及接纳自由场颠簸输入方法已告竣共识,并取得了大量的研究结果。坝址地震动荷载简直定是现在研究的热点和难点。

为反映近园地震特征的面源发震机制替代传统的点源发震机制,有学者接纳半理论、半履历的“随机有限断层法”,将发震断层划分为子断裂点源群,按其破裂模式、时间序列,顺序叠加通过相应流传途径和园地效应,直接生成坝址地震动参数。另有学者思量震源机制、流传介质和坝址峡谷园地效应等三概略素的影响,建设震源-流传介质-坝址峡谷园地大规模数值模型,接纳谱元法模拟地震波从发震断层破裂开始到坝址园地的物理流传历程,生成坝址区的三维地震动参数[68,69]68-69]。拱坝是分段举行浇筑的,而且横缝举行灌浆。在静载作用下拱坝可视为整体结构,但在强震作用下,由于横缝无抗拉强度,地震时一定往复开合,从而使坝体的整体性有所下降,并引起坝体应力的调整和重新漫衍。

因此,在对拱坝举行地震时程分析时,应思量横缝的动力接触非线性效应。坝体混凝土和坝基岩体作为准脆性质料,在强震作用下可能发生损伤开裂,建设能够反映混凝土和岩体质料动力特性的非线性本构模型,对研究拱坝在强震下的损伤破坏历程和极限抗震能力十分重要。林皋等通过能够近似满足动量、动能守恒条件的速度、加速度的修正方法,将非平滑方程组方法推广到动力接触问题的求解中,研究了地震时拱坝中横缝的开合、错动对坝体动力响应的影响;涂劲等接纳动接触力模型模拟坝体横缝、基岩各块体之间的缝面的接触滑移关系,对海内的高拱坝举行了非线性地震反映分析,得出了一些有益的结论;张楚汉等建设了综合思量无限地基辐射阻尼、库水可压缩性、横缝几何非线性、混凝土质料损伤开裂等影响因素的高坝-地基-库水非线性动力损伤开裂分析模型,对小湾等20多座高坝举行了抗震分析;赵兰浩等提出了用于求解动接触问题的有限元混淆法,并将其应用于有横缝高拱坝的非线性地震反映分析中;陈厚群等接纳动力损伤模型模拟坝体和地基岩体,研究了Koyna重力坝的地震损伤破坏历程,认为损伤力学模型能够表述岩体损伤破坏后的刚度和强度降低,思量坝基岩体损伤后模拟效果与实际震害更为靠近。可是,实际岩体包罗大量结构面,质料特性体现为各项异性,其动力破坏特性十分庞大,而且现在海内外还未有普遍认可的岩体动力损伤本构模型,还需进一步深入研究。

我国现行规范划定,对于重要拱坝除接纳振型剖析反映谱法盘算外,还应同时定时程法举行比力验算。对于工程抗震设防种别为甲类的拱坝,或结构庞大、地基条件庞大的拱坝,还应增加非线性有限元法的分析评价。当需举行最大可信地震作用设防的重要拱坝抗震盘算分析时,应计入坝体横缝以及组成坝基内控制性滑裂面的接触非线性、近域地基岩体中主要软弱带的质料非线性以及远域地基的辐射阻尼效应等影响。从这些划定可以看出,我国现行规范也在不停突破一些难以反映实际的传统理念和方法,使大坝抗震设计盘算方法能够反映实际庞大影响因素。

5 锦屏一级拱坝差别设计阶段设计研究事情综述锦屏一级拱坝位于中国四川省凉山彝族自治州境内的是雅砻江干流上,水库正常蓄水位1880 m,死水位1800 m;拦河大坝为混凝土双曲拱坝,坝顶高程1885 m,建基面高程1580 m,最大坝高305 m。锦屏一级拱坝具有高山峡谷、高拱坝、高边坡、高地应力、高水头及深部卸荷等“五高一深”特点,工程建设极具挑战性。锦屏一级拱坝由中国电建团体成都勘察设计研究院负担勘察设计事情。

勘察设计始于20世纪50年月,分为计划、预可行性研究、可行性研究、招标与施工图设计阶段。1962年完成流域计划,1979年完成锦屏开发方式研究。1988年开展卡拉至江口河段的计划,预可行性研究事情始于1989年,与河段计划平行开展。2003年完成可行性研究,2005年9月国家生长和革新委员会批准锦屏一级水电站开工建设。

工程于2004年1月进入筹建期施工,2009年10月开始大坝混凝土浇筑,2013年12月完成大坝混凝土浇筑,2014年8月锦屏一级水库蓄水至正常蓄水位1880.00 m。本节联合锦屏一级工程,论述差别设计阶段特高拱坝需要开展的分析事情。5.1 预可行性研究锦屏一级水电站在预可行性研究阶段对水文站、三滩、解放沟和普斯罗沟等四个坝址,开展勘探设计事情,并举行比选。其重点对三滩坝址和普斯罗沟坝址举行技术经济比力,两个坝址划分适合差别的坝型,三滩坝址适合碎石土心墙堆石坝,普斯罗沟坝址地形地质条件适宜部署混凝土拱坝。

根据设计规范举行了拱坝枢纽部署设计,拱坝应力分析主要接纳拱梁分载法(成都院开发的ADSC法式),拱坝拉压应力满足规范要求;拱座抗滑稳定分析接纳刚体极限平衡法(成都院开发的EASA法式),根据预可行性研究阶段的地质勘探和试验资料盘算,拱座抗滑稳定基本满足规范要求;对左岸坝肩中、上部的地质缺陷,初拟了置换、灌浆等加固处置惩罚措施,接纳线弹性有限元方法举行了整体分析,效果讲明加固措施能有效地改善建坝条件。通过综合比力,推荐普斯罗沟坝址混凝土双曲拱坝的枢纽部署作为代表方案,于1999年4月通过了国家经贸委审查。5.2 可行性研究可行性研究阶段的事情于1999年底开始,分两个阶段举行,第一阶段是在预可行性研究的基础之上举行选坝勘察设计研究,选定坝址和坝型;第二阶段是在选坝勘察设计研究完成后,开展全面的可行性研究设计。

针对普斯罗沟坝址庞大地质条件,接纳“先避让,后部署、再处置惩罚”的设计原则,通过线弹性有限元分析,初拟对左坝肩接纳混凝土置换、混凝土洞塞网格、混凝土传力洞(墙)、固结灌浆、防渗排水以及预应力锚固等综合处置惩罚措施举行加固,盘算结果讲明,经接纳有效的基础处置惩罚措施后,坝体应力、变位基本满足要求,工程量小。最终推荐普斯罗沟坝址配套混凝土双曲拱坝坝型,并于2002年通过了有关单元的审查。可行性研究第二阶段,接纳多种方法全面开展了保证拱坝结构宁静需要的分析事情,包罗建基面选择、坝基处置惩罚方式研究、拱圈线型选择及体形设计、拱座抗滑稳定分析、整体稳定分析、动力分析、渗控分析、温度控制研究等。5.2.1 建基面选择凭据坝基地质条件,举行了多条坝线、差别拱端嵌深的比力,主要从拱梁分载法盘算的坝体应力、线弹性有限元法盘算的坝基综合变形模量、刚体极限平衡法盘算的坝肩抗滑稳定、深部裂痕对拱坝的影响分析结果,联合工程量举行综合比力,推荐Ⅱ坝线。

5.2.2 左岸坝基处置惩罚方式对左岸上部的断层、低波速岩体、深部裂痕以及煌班岩脉等地质缺陷,接纳线弹性有限元方法举行了多种处置惩罚方式对比研究,推荐在高程1 750～1 885 m段设置高135 m的垫座。在此基础上,通过非线性有限元整体分析,确定了混凝土置换网格、传力洞、抗力体固结灌浆的规模以及左岸综合加固处置惩罚措施,以解决左右岸地形地质条件严重差池称的问题。5.2.3 拱圈线型优选成都院、中国水利水电科学研究院、浙江大学划分接纳ADSC、ADASO、ADAO法式,基于拱梁分载法,开展了抛物线、多心圆、椭圆、对数螺线、二次曲线等拱圈线型比选事情,从应力分析结果和工程量比力,最终确定拱圈线型为抛物线。5.2.4 拱坝体形优化设计在设计应力控制尺度下,思量种种荷载工况组合,接纳拱梁分载法并联合局部调整建基面,对拱坝体形举行优化设计,还接纳线弹性有限元方法举行了盘算,通过坝体和坝基的应力、变位漫衍,分析评价体形设计方案的合理性。

5.2.5 拱座抗滑稳定分析在深入分析锦屏一级拱坝地形地质状况的基础上,接纳组合搜索分析,确定了左岸拱座控制性滑块有5个、右岸控制性滑块有6个,接纳刚体极限平衡法盘算的拱座抗滑稳定宁静系数,左岸满足控制尺度要求,右岸部门滑块不满足要求。对右岸的控制性滑块,接纳有限元法、刚体弹簧元法举行了增补分析,并联合变形稳定分析结果,综合评判其稳定宁静性。5.2.6 拱坝整体宁静度分析接纳非线性有限元及水容重超载法,对天然坝基条件、加固处置惩罚两种情况举行整体稳定分析,验证坝基综合加固措施的有效性,探究拱坝与地基系统在极限荷载作用下反抗变形破坏的能力。

效果讲明:拱坝起裂超载倍数为2,非线性超载倍数3.5～4.5,极限承载超载倍数7～8。依据拱坝与坝基的破坏历程,重点研究单薄部位,为设计加固措施提供参考。5.2.7 拱坝动力分析依据坝址地震安评结果,确定锦屏一级电站基岩水平峰值加速度为269 gal(100年逾越概率2%),接纳有限元法及规范划定的反映谱法实时程法举行抗震分析,坝体抗压强度满足规范要求且有较大宁静裕度,坝体局部抗拉强度不满足规范要求。由于拱坝坝高明过200 m,对其动力分析应举行专门研究,从多方面论证了大坝抗震宁静性。

5.2.8 拱坝温度应力仿真分析与温控措施研究以运行期的结构应力和施工期的温控防裂为目的,接纳拱梁分载法开展了混凝土双曲拱坝封拱温度场优化,基本确定大坝封拱温度规模。接纳规范履历公式方法和有限元仿真分析方法举行了温度应力分析和温控措施研究,提出了拱坝温度控制尺度与温控措施。5.2.9 拱坝-地基系统渗流分析分析坝址区的工程地质条件及水文地质条件,建设能模拟坝基渗流特性的三维有限元模型,分析盘算差别防渗帷幕深度、坝后排水方案下的渗压折减系数,为坝基防渗及排水设计提供技术支撑。2003年11月,锦屏一级水电站可行性研究设计陈诉通过。

5.3 招标与施工图设计阶段锦屏一级工程2004年开始招标和施工图阶段的设计,对拱坝体形、坝基处置惩罚、整体稳定、温控防裂、防震抗震等关键工程技术问题,举行了深入的研究和专项设计。5.3.1 体形优化设计招标阶段通过深入研究后认为,左右岸地形、地质条件差池称使得拱坝结构差池称、坝体受力状态差池称,拱坝的宁静度需留有余地,适当降低坝体的应力水平,拱坝体形设计时容许压应力按8.0 MPa控制。拱梁分载法盘算的最大压应力从可行性研究阶段的8.40 MPa降低到7.77 MPa,坝体混凝土方量从435.59万m3增加到476.47万m3。

在降低最大应力的同时,进一步改善了拱坝受力的对称性。5.3.2 坝基加固处置惩罚措施接纳整体稳定分析方法对拱坝坝基加固处置惩罚措施举行了优化研究,为加大左岸上部的地基刚度,扩大了垫座规模,调整后的垫座部署在高程1 730～1 885 m之前,垫座高度155 m。接纳平面有限元就垫座平面尺寸和固结灌浆规模举行多方案的敏感性分析,以拱端变形为主要控制指标,确定了尺寸规模,再用整体稳定分析方法对加固措施的有效性举行复核,同时对垫座、置换网格、传力洞等加固结构举行受力分析,为结构设计提供依据。5.3.3 整体稳定分析接纳现场取样和室内试验,研究了高应力与强渗水作用下结构面、软弱岩体、软弱岩带的力学参数,成都院、清华大学、河海大学、中国水科院划分接纳非线性有限元方法举行整体稳定分析,清华大学和四川大学还开展了超载法和综正当的地质力学模型试验研究。

盘算分析和模型试验结果讲明,锦屏一级拱坝具有较高的整体宁静度。5.3.4 拱坝防震抗震“5·12”汶川地震后,经复核锦屏一级水电站工程园地基本烈度为Ⅶ度,坝址区100年逾越概率0.02基岩地震动水平向峰值加速度为0.269g,根据《水电工程水工修建物抗震设计规范》(NB 35047—2015)举行了拱坝抗震复核。

设计反映谱接纳基于概率法和确定性方法相联合的设定地震方法所确定的园地相关反映谱,除规范划定的复核研究内容外,开展了大坝-地基体系非线性地震反映分析,并在最大可信地震的基础上举行了极限抗震能力研究,举行了模型比尺1∶300的拱坝整体动力模型试验研究。综合盘算分析和模型试验结果,锦屏一级拱坝在地震作用下整体稳定能够获得保证,满足“设震可修、极震不溃”的抗震要求。5.3.5 大坝全历程仿真分析大坝浇筑前,中国水科院团队接纳全坝全历程仿真分析方法研究了大坝施工运行全历程事情性态,对难以确定的界限条件举行了包络式分析,研究结果为封拱温度、分缝型式及温控尺度与措施的优化设计提供了依据。大坝浇筑历程中,中国水科院团队建设了拱坝整体精致化仿真模型,接纳全坝全历程仿真分析方法,按实际施工历程和既定施工进度计划,联合实际监测资料,跟踪与反演分析大坝施工期的事情性态,实时评价开裂风险,并为固结灌浆方式优化、陡坡坝段冷却方式优化、上游充水时机优化、拱坝同冷区高度优化等20余项设计优化提供了直接依据。

5.4 大坝蓄水和运行阶段锦屏一级工程拱坝高度和水库库容大,从工程建设时序摆设和保证工程宁静的角度,蓄水分4个阶段举行:第一阶段2012年11月中下旬导流洞下闸后由导流底孔过流;第二阶段2013年6月中旬水库开始蓄水到死水位1 800 m;第三阶段2013年9月底从死水位开始蓄水至1 840 m;第四阶段2014年6月1日开始蓄水到正常蓄水位1 880 m。蓄水历程和初期运行阶段,围绕大坝宁静运行举行了蓄水历程的反馈分析与评价、左岸边坡变形对大坝影响的研究。5.4.1 初期蓄水宁静监测分析与反馈分析对首次蓄水的各个阶段,在凭据监测资料反馈分析混凝土弹性模量、坝基各种岩体变形模量的基础上,举行蓄水历程的坝体变位、应力举行预测预报,指导蓄水历程,保证大坝宁静可控。

由于接纳了全历程仿真分析的方法,预测精度较高,各蓄水阶段实测的坝体变位与预测指标基本吻合。初期运行阶段,坝体温度处于动态调整历程,坝体混凝土、坝基岩体存在少量不行恢复的残余变形,大坝事情性态正常。

5.4.2 左岸坝肩边坡变形稳定及其对大坝宁静影响研究左岸坝肩边坡受施工扰动影响连续变形,凭据其变形特征举行了流变参数的反演分析,预测其收敛年限和稳定阶段的变形量,作用在拱端的变形量最大为21.5 mm。接纳模型界限加载位移、坝基岩体降强等方式,分析坝肩边坡变形对拱坝结构的影响。盘算分析讲明,由于边坡的时效变形较小,对大坝的整体稳定性影响不显著,不会危及到拱坝的宁静运行。

停止2020年4月,锦屏一级拱坝蓄水已履历6次正常蓄水位的磨练。河床坝基最大径向位移16.56 mm,与库水位相关很好。拱坝径向位移整体以中间坝段为中心,向两岸测值逐渐变小,两岸基本对称。

拱坝径向位移最大值为42.00 mm,且与水位有良好的相关性。横缝与垫座缝测缝计变化都较小。

帷幕后各测点渗透压力与上游水位有较好的相关性,坝基建基面帷幕后渗压折减系数都小于0.27,坝基排水幕后渗压折减系数都小于0.07,均小于设计控制值,坝基廊道实测总渗漏量仅34.59 L/s。监测结果讲明,拱坝、坝基及抗力体事情性态正常,拱坝处于准弹性事情状态。

6 结语与展望一直以来,尽可能准确的仿真盘算拱坝在运行后的事情状态进而为拱坝设计提供尽可能准确的依据是坝工技术人员孜孜以求的目的,为此,一大批研究人员深入研究种种拱坝应力、稳定、抗震分析方法,提出种种盘算方法、模型和设计准则,并联合工程开展应用研究。早在2006年,朱伯芳院士曾提出建议[75]:在拱坝应力分析中以有限元等效应力法取代拱梁分载法;在坝体坝基稳定分析中,以有限元强度递减法取代极限平衡法,对重要工程举行非线性有限元全坝全历程仿真分析。

在实际工程的设计历程中,受限于差别设计阶段的勘察设计深度、设计资料与参数获取的广度和准确度、工程履历的积累等因素,差别设计阶段接纳的设计分析方法是有所差异的,更准确的盘算方法替代相对粗拙的盘算方法需要勘察设计深度、设计准则等方面与之相配套,因此,可以预见的是,这个替代历程会需要一个相当长的时间。自上世纪50年月,我国自行设计施工制作第一座混凝土拱坝起,我国拱坝技术领域历经引进-消化-吸收-再创新,逐渐形成了具有我国拱坝设计制作技术体系;世界前三高混凝土拱坝锦屏一级、小湾、溪洛渡陆续在我国建成,标志着我国坝工技术已步入世界先进水平行列。当前,我国水利水电建设企业在大坝建设国际市场的份额凌驾一半,可是大多数工程仍然接纳西欧尺度,我国拱坝技术尺度走出去越来越迫切。

在国际市场设计方案竞标中,在满足宁静的前提下,设计方案的经济性就成为是否中标的重要因素。为此,如能在我国设计规范中允许或者勉励接纳更准确的分析方法为主举行拱坝设计,历经拱坝设计-施工-蓄水-反馈的循环,我国设计工程师们一定会提升拱坝设计水平,增强在国际拱坝设计与咨询市场的竞争力。本文基于锦屏一级拱坝工程差别阶段设计分析事情的总结,思量与国际上相关拱坝设计尺度的比力,提出相关建议,与同行专家商榷。

(1)建议在拱坝技术规范中允许多种分析方法并存,条件成熟时将更准确的分析方法例定为主要分析方法并划定相应的设计准则,条件不够成熟时可划定为平行分析方法并引入经实践证明乐成的工程案例,为设计工程师应用更准确的分析方法缔造条件,在工程实践中提升更准确分析方法的成熟度。如在《混凝土拱坝设计规范》(SL 282—2003)中,划定了“拱坝应力分析应以拱梁分载法或有限元法盘算结果,作为权衡强度宁静的主要尺度”,且在条文说明中对于非线性有限元方法的参考性控制尺度,这样就为设计工程师接纳非线性有限元方法举行拱坝设计缔造了条件。(2)可行性研究是拱坝设计方案确定的重要阶段,也是国际市场竞标中决议设计方案是否中标的关键时期。

在这一阶段可接纳拱梁分载法、线弹性有限元、非线性有限元、仿真分析方法举行应力分析,接纳刚体极限平衡、超载或降强非线性有限元、地质模型试验举行稳定分析,接纳反映谱法实时程法举行抗震分析,进而为拱坝体形确定、坝基基础处置惩罚、抗震等设计提供依据。总体而言,拱坝体形设计主要由拱梁分载法盘算确定;坝基基础处置惩罚主要基于有限元分析并联合工程履历类比确定。为增强拱坝设计技术的国际竞争力,建议接纳我国现有分析方法对国际典型工程举行分析,研究提出基于有限元方法的应力、稳定等控制尺度。

(3)全坝全历程仿真分析思量因素更为全面,盘算模型思量了大坝整体与基础地质情况,仿真历程按实际施工历程和既定施工进度计划,混凝土的相关参数凭据试验检测结果和反馈分析确定,其分析效果与真实性态更为靠近。在大坝建设阶段,相关界限条件和参数都以明确,有条件对大坝真实事情性态举行实时评估和预测分析,并给予分析效果举行设计方案的优化。锦屏一级工程的乐成履历讲明,在现场组建一支科研分析团队,举行实时的跟踪分析研究,可以有效地支撑设计优化与高质量建设。

建议重要工程都接纳这一模式。水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文焦点期刊，面向海内外公然刊行。本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护，以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主，同时也报道外洋的先进技术。

期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

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