高拱坝承载能力研究

收稿日期:2003-09-11

作者简介:王均星(1963-),男,博士,副教授,主要从事水工结构专业的教学与科研工作.项目来源:原水利水电科学基金项目.

第37卷第1期2004年2月武汉大学学报(工学版)

Engineering Journal of Wuhan U niversity Vol.37No.1Feb.2004

文章编号:1671-8844(2004)01-027-05

高拱坝承载能力研究

王均星1,张优秀1,王汉辉2

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉 430072;

2.长江水利委员会,湖北武汉 430010)

摘要:高拱坝的破坏机理及最终承载力是高拱坝设计中的关键问题.总结了近年来高拱坝承载能力的分析成

果,提出研究高拱坝的承载能力较之中低拱坝具有更重要的意义,分析了弹塑性有限元法和塑性极限分析法共同用于高拱坝承载能力计算的合理性,讨论了超载方式对承载能力的影响,分析了拱坝发生破坏的判别依据以及建议根据拱坝对应的弹性状态、开裂状态和极限状态分别求其安全度.

关键词:高拱坝;承载能力;超载方式

中图分类号:T V642.4 文献标识码:A

Research on load bearing capacity of high arch dam

WANG Jun -xing 1,ZHANG You -x iu 1,WANG H an -hui 2

(1.State Key L aboratory of W ater Resources and Hydro power Eng ineering Science,Wuhan U niversit y,

Wuhan 430072,China; 2.Changjiang Water Resour ces Commi ssion,W uhan 430010,China)

Abstract:It is essential for the desig n of high arch dams to research problems of destruction process and limit load bearing capacity of the dams .In this paper,the analytical results of several high arch dams are summ a -rized;then an opinion,that it is more significant to research load bearing capacity of hig h arch dams than for medium heig ht dams,is put forward.And the rationality,that w e research the high arch dam through elasto -plastic finite element and plastic limit method at the same time,is analyzed.Moreover,the influence of differ -ent overloading methods on load bearing capacity and the criterion of failure state are discussed.At last,an idea that the stable degree of safety should be defined respectively according to elastic state,crack state and limit state,is suggested.

Key words:high arch dam;load bearing capacity;overloading methods 拱坝以安全度高、超载能力大、工程量省等特点而成为最先进的坝型之一.但众所周知,现行的拱坝设计都是以规范为标准的[1].计算中如果出现了应力超标,就通过调整体型来改善应力状态,最终只要满足了规范的应力控制,同时坝体的工程量最小就认为是合理的体型.至于拱坝的承载能力很少在设计阶段成为坝体设计的控制因素.

随着我国水利水电事业的发展,涌现出一大批已建和待建的高拱坝[2],如澜沧江的小湾、糯札

渡,金沙江的溪落渡、洪门口等,坝高都在300m 左右,比世界上已建的最高的英古里拱坝(坝高272m)还高,工程规模更大.对于这样一些高拱坝,国际上一些坝工专家认为,它们和100m 左右高的拱坝有本质上的区别,现行的设计规范和工程经验已经覆盖不了这些特高拱坝.不少高拱坝的应力分析和模型试验也表明[3]:即使在设计荷载下,在拱坝的某些部位,其实际拉应力也可能远超过混凝土的抗拉强度,所以拱坝在某些荷载下发生局部开裂

是难免的.而且拱坝是一种高次超静定结构,局部点的应力达到极限,并不表示结构已丧失承载能力.因此,应该通过研究高拱坝的破坏机理、破坏过程以及最终承载能力等这些基础性的问题来指导高拱坝的设计和建设.

1承载能力的分析方法

目前,确定拱坝超载能力的方法主要包括模型试验和数值计算两种方法,其中数值计算方法又包括弹塑性理论和塑性极限分析等.

1.1结构模型破坏试验

结构模型破坏试验确定拱坝的超载能力已有几十年历史了[4],苏联的英古里、契尔克,日本的黑部川、殿山以及中国的龙羊峡、石门、东江等拱坝都进行过脆性材料模型破坏试验.模型试验具有比较明显的优点:

(1)能够得到相当明显的形象概念和充分的量值结论,给出一个宏观的安全指标;

(2)能得出破坏的全过程,如裂隙的形成、发展直至坝体破坏.

这些特点使得模型试验在数值计算技术高速发展的同时仍然受到人们重视,一些重要的工程都要用模型试验来验证.但模型试验也有它自身的缺点:

(1)对于高拱坝来说,非线性的影响很明显,要想反映高拱坝的真实情况,就必须考虑各种非线性的影响,这对模型试验来说很难;

(2)目前,还很难找到能够完全地按相似律的要求来模拟坝体混凝土和坝基的模型材料,而且采用何种加载方式才能真正模拟实际情况也值得商榷;

(3)只能考虑水压力和自重,不能考虑温度变化和渗透压力;

(4)结构模型试验往往周期很长,费用也很高.

因此如何提高模型试验的技术还是当前值得研究的课题.

1.2数值计算方法

一般地,通过数值计算来分析结构的承载能力有两种方法:一种是用弹塑性分析方法,即根据应力-应变关系、具体问题的初始条件与边界条件、荷载历史等来逐步求解承载能力;另一种是塑性极限分析方法,即忽略中间的弹塑性过程,直接研究极限状态,其最大的优点就是回避了工程中最不容易弄清楚的本构关系.1.2.1弹塑性分析

弹塑性理论的价值是无可争辩的.特别是20世纪60年代随着电子计算机和有限元的发展,使得运用弹塑性有限元方法来分析高拱坝的技术日趋成熟.这种方法最大的优点是可以建立一个高拱坝从初始开裂直至彻底破坏全过程的数学模型.可以通过仿真的有限元非线性分析,一步步追踪在荷载增大过程中的坝体的反应过程,得到关于高拱坝应力分布和变形分布的详尽信息,给出拱坝超载系数的一个大致范围.但是在实际分析中这种方法也有它的局限性:

(1)目前,材料的本构理论还很不成熟,各种弹塑性模型都还有待于进一步验证,尤其对高拱坝来说,坝基的构造往往错综复杂,很难找到合适的本构模型;

(2)初始地应力、初应变的已知程度难以把握;

(3)裂缝开展追踪、结构破坏判据仍是拱坝弹塑性分析中的难题,因此该方法只能给出拱坝超载系数的一个大致范围;

(4)应用弹塑性一般理论来求解具体工程问题时分析计算的工作量很大,而且费用较高.

1.2.2塑性极限分析

对于实际工程,如果人们感兴趣的只是拱坝的极限荷载,而不是拱坝在变成塑性机构前的内力和变形,采用塑性极限分析用于高拱坝的承载能力研究,将是一种可靠而简便的方法.极限分析基于这样一个事实,理想塑性材料结构都存在一个塑性极限状态,在此状态下,若不考虑几何状态改变对于承载力的影响,无需增加外荷载,结构也会变成机构而/无限地0变形下去.相比其他方法,塑性极限分析方法具有显著的优点:

(1)由于只计算极限状态,因而与初始应力状态无关,回避了复杂的本构关系,力学概念清晰;

(2)由于只计算极限状态,因而计算简单,耗时较少;

(3)利用上限法和下限法,不仅可以求得严格的上、下限解,而且可以得到极限状态下结构的应力场和速度场.

值得指出的是,这种直接对塑性极限状态进行分析得到的结果,与由弹性状态到塑性状态再到塑性极限状态进行分析得到的结果是完全一致的.正因为如此,在大型弹塑性分析程序出现后,极限分析仍未失去其意义.将极限荷载与工作荷载之

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