高拱坝承载能力研究
变形加固理论及高拱坝整体稳定与加固分析
2、拱坝及坝肩加固措施及效果 分析
2、拱坝及坝肩加固措施及效果分析
为确保白鹤滩水电站的安全运行，针对上述受损情况，采取了以下加固措施： （1）对拱坝坝体裂缝进行修补、加固，同时对局部破损、脱落的混凝土进行 修复；
2、拱坝及坝肩加固措施及效果分析
（2）对坝肩岩体进行加固处理，修复裂纹，加强防水措施，消除渗水现象； （3）加强金属结构和机械设备的维护和检修，及时更换疲劳损伤的部件。
高土石坝动力稳定分析
在波浪场景下，高土石坝的动力稳定性受到波浪高度、波周期、水深等因素 的影响。波浪作用会导致高土石坝产生水面波动、渗流和绕坝流动等现象，可能 引发坝体失稳。
高土石坝动力稳定分析
在河床冲刷场景下，高土石坝的动力稳定性受到冲刷深度、冲刷速度、河床 床面形态等因素的影响。河床冲刷作用会导致高土石坝产生下游坡脚淘空、坝体 沉陷等问题，影响其稳定性。
（2）通过计算分析，评估大坝在各种工况下的安全性； （3）结合专家意见，对整体安全度进行评价。
2、评价白鹤滩水电站拱坝及坝 肩加固后整体安全度的结果
2、评价白鹤滩水电站拱坝及坝肩加固后整体安全度的结果
根据上述评价方法，得出以下结论： （1）白鹤滩水电站拱坝及坝肩加固后，结构安全性得到了显著提高；
引言
本次演示旨在探讨变形加固理论在高拱坝整体稳定与加固分析中的应用，以 期为高拱坝的安全运维提供理论支持和实践指导。
变形加固理论
变形加固理论
变形加固理论是一种通过改善结构体系的传力路径、增强结构构件的承载能 力，进而实现结构加固的目的。该理论强调在变形条件下对结构进行加固，以降 低结构的安全风险。在高拱坝整体稳定与加固中，变形加固理论的应用主要包括 以下两个方面：
高土石坝动力稳定分析
拱坝极限承载力数值分析中影响因素研究
坝体自重和水容重同比超载时超载倍数最大，单独水容重超载时次之，单独水头超 载时超载倍数远小于前两者。自重和容重同比超载时垂向压力和水平推力同比例增加， 超载能力必定大于单独水容重超载时仅水平推力增加的情况。单独水头超载时，相同超 载倍数下，水平推力增加值远大于单独水容重超载，因此超载倍数最低。说明不同超载 方式得到的超载安全系数可能相差很大，不易直接进行对比。
四、结果和结论
４．１屈服准则
屈服准则不同，计算结果会有差异。在同样大小荷载作用下，外接Ｄｒｕｃｋｅｒ Ｐｒａｇｅｒ 准则顺河向位移最小，Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ次之，内接Ｄｒｕｃｋｅｒ Ｐｒａｇｅｒ准则最大：由最终不 收敛荷载情况可知三者安全系数依次减小，原凶在于三种准则在７／＂平面上面积依次减 小，达到破坏所需能量依次减少，结果显示屈服准则对拱坝安全度大小影响显著。
４．３网格尺寸
网格尺寸较大时，超载安全系数偏大，是因为网格尺寸较大时，应力由于平均作用 会比网格较密时小，因此破坏速度稍慢，最终承载能力稍大。网格尺寸变化时，超载位 移曲线产生变化，但变化幅度很小，说明在网格比较均匀时，超载计算结果对网格尺寸 不太敏感，不必采用特别密的网格即可以得到较为精确的分析结果。
尺寸、强度参数变化等。目前研究中有些因素被忽略，如坝体混凝土材料考虑为理想弹
塑性材料，不考虑屈服后的强度降低：有些因素未进行深入考虑，如不同尺寸的网格对
超载安全度影响程度究竟有多大等，这种情况最终导致不同计算结果无法对比或结果不 尽合理。针对这种现状，本文采用非线性有限元方法对拱坝极限承载能力数值分析的几 个主要影响因素进行了分析，得到各种影响因素对最终承载力的影响程度，加深了对拱
参考文献
ｌ任青文．高拱坝安全性研究现状及存在问题分析．水利学报，２００７；３８（９）：１０２３～１０３１ ２朱伯芳．论特高混凝土拱坝的抗压安全系数．水力发电，２００５；３１（２）：２５—２８
乌东德高拱坝抗震设计研究_曹去修
于静动拱梁分载法进行拱坝抗震计算，同时采用有限 单元法进行了对比分析。动力分析采用振型分解反应 谱法，反应谱 曲 线 采 用 现 行《水 工 建 筑 物 抗 震 设 计 规 范》。有限元法与拱梁分载法所得的坝体静动综合应 力分布规律大致相同，设计地震作用下，在上部高程拱 冠、拱端附 近 出 现 静 动 综 合 主 拉 应 力 最 大 值，数 值 在 4． 5 ～ 5． 5 MPa 之间，总体上大于拱梁分载法结果。大 坝静动综合最大主压应力一般发生于拱端部位，拱梁 分载法在 6． 8 ～ 8． 6 MPa 之间、有限元法在 9． 4 ～ 11． 1 MPa 之间，有限元法结果总体上略大于拱梁分载法结 果，体现了一定程度的应力集中效应影响。校核地震 下，各种水位条件下的大坝静动综合最大拉、压应力均 有所增加。由于在静动综合应力中，动态应力所占成 分较大，主 拉 应 力 的 增 幅 普 遍 高 于 主 压 应 力 的 增 幅。 主拉应力的增幅为 15% ～ 30% ，而主压应力的增幅一 般不超过 10% 。
2． 2 大坝体形比选
乌东德大坝可行性研究阶段，静力优选的代表体 形为 P403D，在其基础上考虑动力因素对体形进行了 调整，相应代表方案代号为 P416C。
P416C 较 P403D 坝体体积增加 6． 79 万 m3 ，增幅 3． 1% 。在静力工况下，两方案坝体应力均满足控制标 准要求，最大主压应力基本相当，最大主拉应力 P416C 余度较大。正常蓄水位温降工况遭遇 50 a 超越概率 10% （ 基本烈度地震） 和 100 a 超越概率 2% （ 设计地 震） 情况下，基于 ADAO 软件，得出拱坝两体形静动叠 加坝体特征应力对比见表 1，其中大坝混凝土强度等 级按 C180 36 考虑，动态容许压、拉应力分别为 17． 20 MPa 和 3． 20 MPa。 基 本 烈 度 地 震 工 况，P403D 和 P416C 最大主压应力分别为 9． 50 MPa 和 10． 03 MPa， 均满足控制标准要求且余度较大； P403D 最大主拉应 力为 4． 85 MPa，不满足控制标准； P416C 最大主拉应 力为 3． 15 MPa，满足控制标准。遭遇设计地震情况 下，P403D 和 P416C 最大主拉应力分别为 10． 06 MPa 和 6． 84 MPa，均不满足控制标准，但 P416C 比 P403D 小 32% 。
大跨度高速铁路钢拱桥极限承载力分析
铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2011 (3) 23
铁道 勘测与设计
及因杆件尺寸误差引起的单元装配内力）。钢拱
桥的极限承载力对初始缺陷极其敏感。所以分析
时应考虑到最不利缺陷的影响。由于初始缺陷是
一个随机量，它的准确考虑非常困难，目前研究和
应用中也有着不同的方法，如 N. Balut 推荐的方
结果如表 2 所示： 表 2 不同边界条件下的活载稳定系数
分析方法 边界条件 1 边界条件 2 边界条件 3
26 铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2011 (3)
大跨度高速铁路钢拱桥极限承载力分析 曾甲华 曾小怀
勘察设计
进行相应的约束； 边界条件 2：建立上部结构和承台以上（含承
台）的下部结构，在承台中心点进行完全约束； 边界条件 3：建立上部结构和承台以上（含承
台）的下部结构，在承台中心点建立非线性弹簧单 元模拟承台底刚度（即考虑群桩基础对桥梁的极限 承载力的影响）。
图 2 大胜关大桥三维有限元模型
图 3 中主墩处上部结构部分构件（被截取）外形
① 桁架杆件，其板厚均落在 18-52mm 范围内 且绝大多数板厚在 35-50mm（主要承载构件）,故偏 保守（板越厚，强度折减系数越大）地取 35-50mm 之 间的屈曲强度值，所用的 Q420E 钢的屈曲强度取 400MPa，Q370E 钢取 330 MPa；
（7）
在第 i 级荷载增量 Pi作用下，相应的增量方程 为
（3）
式中，
、
和
分别为构形
为参考时的结构的弹性刚度矩阵、几何刚度矩阵
和弹塑性刚度矩阵。
2.4 非线性稳定方程求解
拱坝的应力分析简介和强度控制指标课件
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总结词：有效监控
详细描述：该案例探讨了某拱坝施工过程中应力监测的重要性，通过实时监测和数据分析，实现了对 施工过程的精确控制和安全预警。
案例三：某拱坝的运行监测和应力控制
总结词：长期稳定
详细描述：该案例分析了某拱坝在运行过程 中的应力变化和稳定性，通过长期监测和反 馈控制，确保了拱坝运行状态的稳定和安全
通过精心设计拱坝的形状和尺寸，可以降低应力集中程度，提高 拱坝的应力控制性能。
增加拱坝材料的强度
选择高强度材料可以增强拱坝的抗拉和抗压性能，降低应力水平。
设置观测点
在设计阶段，为拱坝设置合理的观测点，以便在施工和运行过程中 及时发现应力异常情况。
拱坝施工中的应力控制措施
控制施工顺序
合理安排拱坝施工顺序，优先施工关键部位，确 保拱坝在施工过程中受力均匀。
拱坝的应力分析简介 和强度控制指标
contents
目录
• 拱坝概述 • 拱坝的应力分析 • 拱坝的强度控制指标 • 拱坝设计和施工中的应力控制措施 • 案例分析
01
拱坝概述
拱坝的定义和特点
拱坝是一种大体积的抛物线形薄 壳结构，主要由混凝土或岩石等
材料构成。
拱坝具有承受压力和弯曲应力的 能力，同时具有较小的拉应力。
应力是指物体内部单位面积上所承受的力，是物体内部产生变形和 断裂的主要因素。
应力分析的目的
应力分析的目的是为了研究物体的应力分布状态，预测其可能发生 的变形和断裂位置，从而采取相应的措施进行优化设计或加固处理 。
应力分析的基本原理
应力分析的基本原理是建立在材料力学、弹性力学等基础上的，通过 建立数学模型，计算出物体在不同条件下的应力分布情况。
特高拱坝坝面钢筋抗震效果研究
特高拱坝坝面钢筋抗震效果研究摘要:特高拱坝在强烈地震作用下坝体横缝易于张开，拱梁应力重新分配，影响拱坝整体性和抗震安全性。
以大岗山特高拱坝为工程背景，采用三维非线性有限元数值分析方法，对坝体中上部布设拱向跨缝钢筋、梁向限裂钢筋抗震措施的效果进行分析。
研究结果表明:拱向跨缝钢筋对控制横缝张开度效果较为显著，梁向钢筋对抑制大坝地震损伤效果十分显著，研究成果为指导工程设计提供了理论依据。
关键词:特高拱坝;拱坝抗震钢筋;抗震设计;非线性有限元1研究背景为提高强震区200m以上特高拱坝的抗震性能，降低水库的安全风险，在大坝抗震措施中需采取必要的非工程措施和工程措施。
其中非工程抗震措施包括大坝地震安全预警系统、坝体及坝肩结构性能监测系统、大坝安全事故应急措施以及大坝管理人员培训等;工程抗震措施包括拱坝体形优化、坝基交接面附近设置底缝和周边缝、配置抗震钢筋、横缝间布设阻尼器、设置适应横缝张开大变形的止水、坝体上部设置预应力钢索、优化坝体混凝土强度等级分区以及两岸坝肩岩体的抗滑稳定措施等［1－4］。
近年来诸多研究表明，特高拱坝的横缝在强烈地震作用下很容易张开，而且坝址河谷宽深比越大，横缝张开的可能性和开度也越大。
横缝张开可能导致缝间止水的破坏和拱梁应力的重新分配，降低拱的作用，增大梁向应力，影响拱坝的整体性和抗震安全性。
因此，采取抗震措施控制横缝的张开度、增强坝体梁向抗裂能力是特高拱坝抗震设计的重点，而在大坝中上部配置拱向跨缝钢筋、梁向限裂钢筋是最为直接的措施［5－10］。
朱伯芳［11］提出了跨横缝钢筋的设计准则和设计方法;张楚汉等［12］论证了横缝配筋控制措施的可行性和可靠性;龙渝川等［13］研究指出拱坝梁向配筋可以降低地震作用下拱坝的横缝开度与拱向位移，限制沿坝厚方向的裂缝扩展范围，因而有助于提高拱坝的抗震安全性能。
溪洛渡、锦屏一级和小湾拱坝均采取了坝面布设钢筋的抗震措施［14］。
大渡河大岗山混凝土双曲拱坝最大坝高210m，大坝体形特征参数和技术指标见表1［15］。
拱坝的破坏分析及超载问题探讨
摘要：以拱坝和周围的岩体为研究对象，采用线弹性本构模型和不同的破坏追踪方式，对破坏过程中的不同的应力状态应用不同的强度准则和功能函数，破坏过程的分析按三维随机有限元法分析可靠度指标场，从可靠度指示场中寻找并联系统中最易出现的破坏轨迹，给出其破坏形式和安全度。
同时按逐步增加水的比重和提高水位两种方法给出拱坝的超载破坏过程，最后指出拱坝的超载是不现实的，也不能给出切合实际的拱坝安全性。
关键词：破坏分析超载可靠度拱坝拱坝的超载能力很强，但对拱坝超载能力的研究始于20世纪60年代出现了电子计算机和有限元法之后，李新民提出用机动法分析拱坝的超载能力，他的做法是在直法线假定的前提下求弹性厚壳的极限荷载，实际上，厚壳中还存在着薄膜应力，仅用铰链来描述破坏点的受力状态，过于简单化。
超载试验法是另一个拱坝极限荷载的研究方法，通过模型试验，对拱坝逐渐加载到超过正常水压几倍的荷载(或利用高密度的液体)，通过实际观测，可以得到拱坝裂缝开展的详细情况，同时，得到拱坝从初始开裂直至彻底破坏过程中任一破坏程度的超载系数，给出一个宏观的安全指标。
但是，在拱坝的正常运行中，超载是不现实的，并且拱坝的真正危险不是荷载的成倍增加，而是材料强度的不足，因此，就不能用这个指标来衡量正常运行拱坝的安全度，并且也不能反映随机性。
极限强度分析中，水压保持不变，减小材料的强度，直到拱坝出现破坏，极限强度分析是从设计材料的强度剩余上观察拱坝的“超载”能力，却看不到破坏的发展过程。
通过数学模型和拱坝的弹塑性应力分析，可以建立一个拱坝从初始开裂直至彻底破坏全过程的数学模型。
一般在上述分析的过程中把参与分析的参量视为定值，可以得到一个逐点破坏的安全系数序列和破坏的迹线，虽然在这个破坏的过程中每点的破坏并不是独立的，但是这个安全系数序列却是离散而独立的。
因此，这种方法也不能给出一个破坏程度的指标。
本文阐述了一种全新的关于拱坝破坏分析的思想：首先建立拱坝断裂的随机数学模型，然后进行数学模拟分析，在模拟分析的过程中把参与分析的主要参量取为随机变量，进行随机数学分析，则可以记录诸点依次破坏的概率及条件概率，得到拱坝从出现裂缝到每条裂缝开展稳定或不稳定溃坝的条件概率序列——拱坝破坏轨迹的概率向量。
高拱坝抗震安全性能评价指标探讨
高拱坝抗震安全性能评价指标探讨李静; 陈健云; 徐强【期刊名称】《《人民长江》》【年(卷),期】2019(050)009【总页数】8页(P129-136)【关键词】抗震安全性能; 高拱坝; 坝体损伤体积; 评价指标; 地震【作者】李静; 陈健云; 徐强【作者单位】大连理工大学建设工程学部辽宁大连 116023【正文语种】中文【中图分类】TV642.4我国水电工程建设主要处于西部水能资源丰富的高烈度地震区，在工程的设计阶段和运行阶段都面临着抗震安全性能评价的问题。
然而，随着坝体规模和地震设防烈度的不断增加，已有的经验和方法已经无法满足当前抗震安全评价的要求[1]。
随着动力非线性分析技术的不断成熟，高坝抗震安全评价向考虑坝体横缝开度、坝体损伤程度及坝-基整体变形等指标综合评价的方向发展。
高坝抗震安全评价的一个很重要的依据是大坝的地震失效模式，但是真正经历强震的拱坝非常少。
目前经历过超过或接近设计强度地震动的拱坝只有美国Pacoima,Lower Crystal Springs，Gibraltar拱坝，意大利Ambiesta拱坝，中国沙牌拱坝、德基拱坝、谷关拱坝以及日本新丰根拱坝等8座拱坝，并且都属于轻微破坏可修复的情况。
由于每座拱坝的地形、地质条件和体型都不同，采用数值分析或物理模型试验得到的失效形式可能是多种多样的，拱坝系统的地震失效模式目前并不十分清晰、完整[2]。
从目前研究来看，针对具体工程的极限抗震能力评估，主要依据坝肩岩体滑块滑移引起的滑动面变形及拱坝变形的突变特性、坝基交界面的开裂变形以及数值计算过程的发散等。
程恒、张燎军等针对沙牌拱坝的极限抗震能力，采用位移时程曲线的突变、坝基交界面出现贯通性破坏区及数值计算发散作为拱坝整体失稳的判据[3]。
涂劲等针对大岗山拱坝进行了考虑坝体横缝、坝肩滑动岩体以及坝基交界面开裂滑移的地震动超载分析，并建议以坝体位移反应发生突变作为坝体整体失稳的判别准则[4]。
论述高拱坝坝踵开裂问题与解决措施
论述高拱坝坝踵开裂问题与解决措施作者：阮德生来源：《科学与财富》2013年第03期摘要：通过查阅国内外高拱坝的相关信息，再通过计算分析、模型试验，我们得出了高拱坝、特别是那些坝体达到几百米的超高拱坝的坝踵部位因为各种因素影响，很难确定它是否会在基础部位或者坝体部位出现裂缝。
如果坝踵出现裂缝，将会导致坝体承受的压力增大，使得裂缝会进一步加深或者扩大，这样的后果轻则影响拱坝正常运作，重则有可能导致坝体崩塌，大水将直接威胁到老百姓的生命财产安全。
本文提出了一种新的思路，在坝踵上游的约束区增设一条柔性防渗体系，从而缓解水流对坝踵的冲击，保障坝踵的安全。
关键词：高拱坝坝踵开裂柔性防渗体系随着经济的发展，我国的水利事业也有了长足的进步。
最能源资源珍贵的今天，保障能源供应，是一个世界性的难题，加强水利事业的发展、增建水利设施有助于能源供应与积累，进而促进国力的发展。
高拱坝不论是在经济作用还是具体实用性上，都是水利事业中重要的工程之一。
本文简单介绍了关于高拱坝坝踵开裂问题的解决措施。
1、国内外高拱坝坝踵开裂问题中国有修筑水坝和修筑拱桥的悠久历史，但修建拱坝则是近代才开始的。
第一座拱坝建造于1927年，即厦门市的上里浆砌石拱坝，坝高27m。
大规模开始建设拱坝是在20世纪70、80年代，在1988 年出版的大坝统计中，中国坝高高于15m 的拱坝有756 座，占世界拱坝总数的47%，成为名副其实的拱坝大国，但高坝较少。
到目前为止，我国已建拱坝中坝高高于200m 的仅二滩（高 240m） 1座，坝高介于150～ 200m的高坝也仅有德基（中国台湾，181m）、龙羊峡（ 178m）、东风（ 168m）等7 座。
在大坝采用现代技术理论进行设计和施工的150年历史中，实践证明拱坝是各种挡水坝中最为安全的一种。
依据国际大坝委员会的统计，全世界已建1 600多座高于15m的拱坝中，真正溃决失事的仅6座，失事率0.37%。
另外，全世界（除中国外）统计到的高于15m的大坝的318 座溃坝事例中，拱坝仅为 6 座，说明拱坝的安全性是比较好的。
300m 级特高拱坝建设关键技术与实践
抗震、施工温控防裂等要求更高，安全控制难度大。 锦屏一级拱坝，高305 m，是当前世界已建的第一高
坝，也是基础地质条件最复杂的特高拱坝。坝址河谷呈 窄V形，坝基岩体主要由大理岩和砂板岩构成；大理岩强 度高，为整体块状结构；砂板岩性状差，分布于左岸中 上部地基，受河谷下切影响倾倒变形突出，变形模量E0 为1~2 GPa ；加上左岸煌斑岩脉、层间挤压带、卸荷松 弛带等地质缺陷的影响，构成大坝十分复杂的基础地质 条件。大坝设计地震(100年基准期超越概率2 %，下同) 和校核地震(100年基准期超越概率1 %，下同)的基岩水 平峰值加速度分别为269 Gal和317 Gal。基础处理与整体 稳定是大坝安全控制的关键。
针对300 m级特高拱坝工程特点，在勘测设计研究 与建设过程中，充分吸取国内外高拱坝建设的成功经验， 结合现代筑坝技术与信息技术的发展，对大坝基础可利 用岩体及合理建基面、拱坝体形优化设计，基础抗滑与 整体稳定安全控制，抗震研究与设计，复杂地基处理， 混凝土材料及施工温控防裂等关键技术开展了一系列科 技攻关，取得多项技术突破并直接应用于工程[2]。小湾、
Engineering 2 (2016) xxx–xxx
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Engineering
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Research Hydro Projects—Article
300 m级特高拱坝的应力控制指标需兼顾坝址河谷形 态、基础地质条件、坝身泄洪孔口布置、拱坝整体稳定
© 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license
小湾高拱坝世界最高
世界上最高的拱坝——小湾混凝土双曲拱坝邹丽春，傅树红(国家电力公司昆明勘测设计研究院)摘要：本文论述了小湾拱坝的布置设计、体型优化以及对坝体动、静应力状态的分析研究。
对于目前规范尚未涉及到的高拱坝坝踵开裂问题以及在高烈度地震作用下坝体横缝的开合问题，文中采用国内外最新发展起来的多种分析方法和模型试验，从不同角度作了深入地研究。
在此基础上，提出了小湾拱坝防止减少坝踵开裂的工程措施以及抗震工程措施。
关键词：小湾拱坝；体型优化；应力分析；工程措施作者简介：邹丽春(1961-)，女，教授级高级工程师，主要从事水工建筑物设计1工程概况小湾水电站位于云南省西部澜沧江中游河段，系澜沧江中下游河段规划八个梯级电站中的第二级。
小湾水电站是以发电为主，兼有防洪、灌溉和库区水运等综合效益的水利枢纽。
总库容151亿m3，有效库容99亿m3，库容系数0.26，属不完全多年调节水库。
电站总装机容量4200MW，年发电量189亿kW·h.小湾地区的地震烈度主要受外围与红河断裂、澜沧江断裂和南汀河断裂有关的三个地震危险区地震的影响，其地震基本烈度为Ⅷ度，地面峰值加速度为0.308g.拦河大坝采用混凝土双曲拱坝，最大坝高292m，为目前世界上拟建中的最高拱坝(见图1).泄洪消能建筑物由坝身5个开敞式表孔溢洪道、6个中孔泄水孔、2个放空底孔、左岸2条泄洪洞组成，坝后设水垫塘和二道坝。
设计泄洪流量15666m3/s，校核泄洪流量20683m3/s，相应下泄功率46000MW，泄洪消能问题突出，属同类坝型当今世界之最。
引水发电系统位于右岸，由竖井式进水口、埋藏式压力管道、地下厂房、主变开关室、尾水调压室和尾水隧洞等建筑物组成。
压力管道内径9.6m，地下厂房安装6台700MW混流式水轮发电机组，长326m，宽29.5m，最大高度65.5m.2拱坝布置坝址处河谷基本对称，河谷深切呈“V”字型。
正常蓄水位处天然河谷宽约720m，天然河谷宽高比为2.74.两岸山体雄厚，高出河面100m以上，为坝高的3～4倍。
拱坝工程实例分析
拱坝工程实例分析拱坝整体稳定性的关键就在于坝肩的稳定性，坝肩稳定分析十分复杂，一方面是由于拱坝的是一个空间超静定体系，另一方面坝肩的岩体较为复杂，和往往含有各类不连续的结构面。
国内外用以评价拱坝坝与坝肩稳定的方法，总结来看，主要有以下四种：刚体极限平衡法，有限元法、地质力学模型试验方法、可靠度法。
1.1.1刚体极限平衡法目前，国内的水利水电工程设计中，刚体极限平衡法是分析拱坝坝肩稳定性的一种常规方法。
通过假定简化多余变量，使超静定问题转化为静定问题来求解，通过计算抗滑力和滑动力之比求出大坝的稳定安全系数，判断计算的对象是不是失稳。
一般采用下述稳定计算公式：经过长期的积累，刚体极限平衡法具备了丰富的工程应用经验，在处理简单的工程对象时计算精度较高，通过拟定一些假定也能应用于较为复杂的稳定问题，简单且容易使用。
但是该方法没有考虑对象所处的岩体发生变形时对上部结构的影响，具有下述的一些局限性，该；一是该方法在一定的基础上，进行了比较大的人为简化，计算过程中所采用假定的合理性直接影响到计算的精度，以及最终的安全系数；二是计算时主要考虑的是岩体的强度，对于岩体的实际应力－应变关系则未考虑，因此不能获得在滑动面内的应力、变形在空间分布特性以及伴随加载的发展过程；三是该方法无法获得对象在临界状态下的变形特性，其所获得的给定滑动面上的安全系数只是一个平均安全系数。
1.1.2有限单元法有限元法用于坝肩稳定性分析始于20世纪60年代，该方法通过建立单元几何、弹性（塑性）、位移、强度以及应力等矩阵，来计算分析对象的受力及变形状况，可以分析整体或局部的稳定安全系数，能够考虑坝基岩体构造的复杂性以及岩体变形对坝体结构的影响。
采用有限单元法分析拱坝坝肩稳定性，能够研究线弹性、弹塑性、流变性及低抗拉特性等问题，较为真实的模拟岩体，考虑拱坝及基础这个整体的相互作用，得到该体系内的应力和变形分布；通过单元划分，能够充分考虑体系内不同材料的力学特性、复杂的地质构造以及基础的变形对上部结构的影响，还能够针对渗流体积力、温度场、地震等多种动静力荷载进行加载模拟。
锦屏一级水电站高拱坝整体抗震安全性研究
锦屏一级水电站高拱坝整体抗震安全性研究涂 劲,李德玉,陈厚群(中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心,北京 100048)摘 要:本文在高拱坝 地基整体抗震安全评价体系的基础上,对锦屏一级水电站高拱坝 地基体系的地震响应进行数值分析,并分别对其在不同地震超载倍数和不同基岩控制性滑裂面抗剪强度降低倍数下的安全性和破坏机理进行研究,分析其抗震工作的薄弱部位和破坏模式,并对其整体抗震安全性作出评价。
关键词:水工抗震;抗震安全;地震波动反应分析;高拱坝中图分类号:TV31文献标识码:AResearch on the seismic safety of high arch dam systemof Jinping ProjectTU Jin,LI Deyu,CHEN Houqun(China Institute o f Water Resources and Hydropo wer Research ,Beijing 100048)Abstract :Adopting a new seismic safety concept of arch da m and a numerical analysis method,this paper analyzesthe seismic safety c oefficient of the Jinping high arch dam under seismic overloading and the shear strength reduction of the slide surfaces in the wedges.The seismic failure mechanism of the dam reservoir foundation system is discussed and the seismic safety is estimated.Key words :earthquake fortification of hydraulic structures;seismic safety;seismic response analysis;high arch dam收稿日期:2009 04 21基金项目:国家自然科学基金重点项目(90510017),2007年中国电机工程学会电力青年科技创新项目作者简介:涂劲(1973 ),女,工学博士,高级工程师.E mail:tujin@0 引言锦屏一级水电站是雅砻江中下游河段的重要梯级开发电站,工程规模巨大,主要任务是发电,兼具蓄能、蓄洪和拦沙作用,是川电外送的主要电源点之一。
拱坝的应力分析简介和强度控制指标.
重 新 返 回 计 算 N (a)最初位置 (b)径向变位 (c)径向调整 (d)切向调整 (e)扭转调整
Y
检验三向变位是否都满足
Y
最终拱梁分配荷载
拱冠梁法计算拱坝应力 拱冠梁法是近似一种简便拱梁分载法。一般沿坝高选取(=5～9) 层单位高度水平拱圈，在拱冠处截取单宽悬臂梁，组成层拱圈 和1根梁的拱梁交汇系统。利用 n ×1个交点建立个变位协调方 程式。 各方程中包含个交点处梁应分配到的待求的径向荷载强度为 xi 而拱则相应分配到的荷载为 ( p i xi ) 联立求解此元一次方程组，得到个的定解；拱、梁分担的荷载 确定以后，分别按纯拱法和悬臂梁计算各自的应力。 该法假定拱圈其他各点的水平径向荷载与拱冠处相同，非拱冠 处其他悬臂梁的水平外荷载也都与拱冠梁同一高程的外荷载相 同。
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（2）拱梁分载法 概念：拱梁分载法是将拱坝视为由若干水平拱圈和竖直悬 臂梁组成的空间结构，坝体承受的外荷载一部分由拱系承 担，一部分由梁系承担，拱和梁的荷载分配由拱系和梁系 在各交汇点（共轭点）处变位一致的条件来确定。 拱梁分载法的两个基本原理 ①内外力替代原理 ②唯一解原理。
拱梁分载法计算思路概述 荷载分配以后，梁是静定结构， 应力按照材料力学公式计算； 拱的应力可按纯拱法求出内力 后按照材料力学中相应公式计 算。荷载分配可采用试载法， 先将总的荷载试分配由拱系和 梁系承担，然后分别计算拱、 梁变位。第一次试分配的荷载 不会恰好使拱和梁在共轭点的 变位一致，必须再调整荷载分 配，继续试算，直到拱和梁在 共轭点的变位接近一致为止
纯拱法也只能计算到轴向力、水平力矩和径向剪力，因此， 还不足以充分反映拱坝的实际受力情况。但纯拱法力学概 念明确，计算思路清楚，计算较为简单，对于狭窄河谷中 的薄拱坝，仍不失为一个简单实用的计算方法。 纯拱法计算过程 从拱坝中截取的某一层拱圈称为 原结构，原结构为三次超静定弹 性拱。该基本结构上的超静定未 知力可用力法求解。根据基本结 构切开处二侧相对位移为零的变 形连续条件，可列出切口处的三 个力法方程为：
关于高拱坝建设中若干问题的探讨——潘家铮 陈式慧
关于高拱坝建设中若干问题的探讨潘家铮陈式慧我国水力资源十分丰富，理论蕴藏量约6.8亿kW，其中可开发蕴藏量约3.7亿kW，居世界首位。
但现开发程度仅为10％左右，近期规划开发的水电工程，大多位于西南、西北地区的大江大河的中上游河段。
建国以来，我国的拱坝建设有了巨大的发展，拱坝在世界上可能是最多的。
80年代以来，更向200米以上的高拱坝进军。
与此相应，有关技术如拱坝应力变形计算，拱坝稳定分析，拱坝动力分析和抗震，拱坝温控、灌浆和地基处理，拱坝优化、水力学和泄洪消能，碾压混凝土拱坝，拱坝施工技术，拱坝模型试验等，都取得了长足进步。
由于我国水利水电事业发展的需要，我国还要修建大量拱坝乃至极高的拱坝，如澜沧江的小湾水电站，拱坝坝高292m，装机容量420万kW，泄洪功率4600万kW，坝址基本烈度为8度，而且有大规模的地下厂房及洞室群；又如金沙江的溪落渡水电站，拱坝坝高295m，装机容量1440万kW，泄洪功率近1亿kW，坝址基本烈度为8度，其难度又比小湾水电站上了一个台阶。
这些工程比世界最高的英古里拱坝（坝高272m）更高，工程规模更大，泄洪功率也比世界最高水平高出2～3倍，而且处于强地震区，其技术难度居于世界前列。
其他还有金沙江的白鹤滩、洪门口，澜沧江的糯札渡等拱坝，坝高都在300m左右，也都是现行规范覆盖不了的特高拱坝。
另外，还有拉西瓦、构皮滩等也都是200米以上的高拱坝。
下面，就高拱坝建设中的几个问题谈谈我们的粗浅认识。
对200米以上的拱坝为什么要做专门研究建国以来修建了大量拱坝，凡是按规范正规设计施工的拱坝都能安全运行，说明我们已掌握一般拱坝的技术。
80年代开始，已在修建240米高的二滩拱坝，并正在向300米级的高拱坝攻关。
那么，我们现在所掌握的技术是否已满足高拱坝的设计要求？100米、200米、300米高的拱坝在本质上有什么区别，这是个值得探讨的问题。
国际上有些坝工专家认为，超过200米的拱坝和百来米高的拱坝有本质的不同，并主张在二滩这类拱坝上，不允许出现拉应力（这实际上是做不到的），我们认为这是有一定道理的。
浅谈水电站高拱坝的基础处理技术要点
浅谈水电站高拱坝的基础处理技术要点高拱坝是指高度超过70m的一种坝体结构，与传统的坝体结构相比，它能够将外界的作用力传递到两边的曲线型坝体当中，从而减少作用力对坝体的影响，保证工程的质量。
近些年来，随着高拱坝施工技术的不断发展，越来越多的应用在了我国的水利水电工程建设当中，也逐渐成为我国水利水电工程中的主要坝型之一。
而高拱坝的基础是整个坝体稳定性的保证，因此对高拱坝技术进行处理是十分必要的。
本文就水电站高拱坝基础易出现的病害，结合工程实例详细探讨了水电站高拱坝的基础处理技术要点。
标签水电站；高拱坝；基础处理；帷幕；垫座处理一、高拱坝概述拱坝是一种在平面上拱向上游，将荷载主要传递给两岸的曲线形坝；按照设计规范坝高高于70m的拱坝属于高拱坝。
高拱坝在坝址河谷狭窄、地形地质条件基本对称，坝基坝肩岩体坚硬完整的情况下，适合修建高拱坝。
其具有超载能力强，抗震能力好，坝身泄量大，配合地下厂房布臵方案施工和运行干扰小，坝体混凝土工程较省等特点，拱坝已成为超高坝具有竞争力的坝型。
高坝和超高坝建设是水资源综合利用和水能资源开发的需要.为满足国民经济快速发展对水资源和电力供应的要求，高拱坝建设迎来了前所未有的契机。
近十年来，我国混凝土高拱坝施工技术得以飞速发展，已成为大型水利枢纽的主要坝型之一，国内已建、在建超过100m的高拱坝。
二、水电站高拱坝基础易出现的病害由于外界自然因素等各种作用力的制约，很容易是高拱坝的基础出现裂缝和渗漏等病害，这给整个水利工程带来了不利因素，阻碍了水利工程的正常运转。
（一）基础裂缝、断层在水电站正常运转过程中，由于坝基础与流水的长期作用影响，通常会使得高拱坝的不同部分出现裂缝或者断层等情况。
出现裂缝的原因主要有以下几项：1、基础处理不当引起裂缝良好的拱坝坝基应岩体完整均一、透水性小，并具有足够的抗变形和承载能力。
事实上，很多拱坝的坝基均不同程度地受到地质构造和自然环境等的影响，往往很难完全满足上述要求。
关于高拱坝施工难点及施工技术的分析
关于高拱坝施工难点及施工技术的分析Analysis on The Difficulties and Construction Technology of High Arch Dam Construction ■ 厉旭龙1胡二伟2■ Li Xulong Hu Erwei[摘 要] 笔者从高拱坝施工的独特性入手阐析了相关施工技术中存在的难题，针对这些难题总结出温控防裂的处理方案。
[关键词]技术难点高拱坝温控防裂[Abstract] From the uniqueness of high arch damconstruction, the author analyzes the problems thatexist in the related construction technology, and then puts forward some tempera- ture control and crack prevention measures for these challen- ges.[Keywords]technical difficulties, high arch dam, temperat ure control and crack prevention建设高拱坝时需要满足一定的条件，尤其在坝址的选择上应当注意选那些地形地质状况良好的、河谷狭窄且对称的，在坝肩坝基强度足够且完好的坝址可以建筑高拱坝。
高拱坝有许多突出的有点，如超强抗震能力、负载容量大、坝身泄量大能较好的配合其他施工工程、基本无干扰、节省坝体混凝土等。
高拱坝竞争日益激烈，特别是这几年高拱坝领域的突破性技术使之成为水利枢纽的代表。
一、 高拱坝施工特点及难点(1) 高拱坝附近的山坡陡度过大，难以施工且在开挖土石方面存在很大困难；通常高拱坝位于高地应力地区，被挖除出来的基岩会出现明显的变形；高拱坝选址标准高，在地质状态繁杂地段处置困难。
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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:AResearch on load bearing capacity of high arch damWANG 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28武汉大学学报(工学版)2004比限定在某一范围内,则结构可以安全地可靠地使用,这样所确定的安全系数或可靠度将更能充分发挥材料蕴藏的潜力,节省材料,达到优化设计的目的.当然,目前极限分析方法还存在以下不足:(1)不能考虑大变形;(2)不能考虑时间效应;(3)不能考虑诸如周期性荷载等变值荷载的作用.在研究高拱坝的超载能力问题上,弹塑性有限元分析和塑性极限分析各有特点.譬如弹塑性有限元法可以考虑各种不同材料的本构模型、荷载种类和加载方式,能够对不同定义的极限状态进行详细研究,模拟高拱坝从荷载增大直至破坏的全过程等,这是极限分析方法所不能够做到的.但是有限元法算出的应力数值很不稳定,缺乏合适的应力控制标准,在如何界定拱坝承载能力的丧失等问题上目前还尚无定论.塑性极限分析方法则可以避开这些问题,它的理论完善,可直接给出承载能力的上、下限.所以,如果将塑性极限分析方法引入到高拱坝承载能力分析上,用这两种方法的计算结果相互补充,应该说对高拱坝超载能力的研究是很有指导价值的.1.3超载方式对高拱坝进行超载分析时,通常采用的超载方式有两种[5],即强度储备系数法和超载法.1.3.1强度储备系数法强度储备系数法即保持坝体的正常工作状态不变,逐步降低材料强度,直至结构丧失承载能力.以材料的设计强度与降低到破坏时的强度之比来定义材料强度储备系数.强度储备系数法的优点是可以考虑材料强度的不确定性和可能的弱化效应.缺点是:(1)这种方法几乎无法用试验来实现;(2)实际工程中的结构往往很复杂,要准确地确定材料的强度参数是很困难的;(3)在降低材料的强度参数f,c值时,采用何种方式降低材料强度还值得进一步研究.1.3.2超载法超载法通常采用超水容重或超水位的方式.超容重就是保持结构的自重和水位不变,以增加水容重方式超载,直至结构破坏.以破坏时的液体容重与设计时容重之比来定义超载系数.超水位则保持结构自重和水容重不变,用抬高水位的方式超载,以破坏时的水压荷载与设计水压荷载比来定义安全系数.较之强度储备系数法,超载法有如下优点:(1)可以考虑荷载的不确定性;(2)方法直观,概念明确,易于为工程界接受;(3)便于与结构模型试验相比较;(4)工程经验也比较丰富.但是很多学者认为[6],通常情况下,高拱坝的破坏在除去基础沉陷、坝肩失稳等因素的影响外,主要是材料强度的不足,因此,分析拱坝的超载系数时,应采用逐步降低材料强度的方法.严格地说来,高拱坝实际运行时,水压荷载根本不可能无限制地升高,材料强度也不可能无限地降低,因此到底这样的超载方式是否给出了正确的结论还需要进一步研究.而且,大量的计算事实也表明[7],不同的超载方式,所模拟的拱坝的破坏形式和破坏机理是不同的.而对于这两种超载方式得出不同结果的原因,许多学者从不同角度做了解释.有的学者认为,主要原因是因为在设计时总是使自重产生的压应力尽可能地抵消水压引起的拉应力,使坝踵保持允许拉应力,甚至压应力.若采用降低材料强度的超载方法,将不可能使坝踵开裂,至少不是首先破坏.同时拱坝的自重一般应该全部或相当一部分作用在梁上,不通过拱向两侧传递.但计算时的自重一般都施加在整体拱坝上,这样得出的坝踵的自重应力必然偏小,因此采用加大容重的方法,随着容重的增加,这种差别随之加大,致使坝踵被拉裂的可能性显然比降低材料强度大,而初裂部位的不同必然导致破坏过程和极限承载能力的不同.文献[8]根据莫尔)库仑强度理论建立了超载系数与应力状态的关系.设建筑物中某点的主应力为R1和R3,建筑物材料强度参数摩擦系数和凝聚力分别为f和c.若以降低材料强度为超载方式,推导出强度储备与应力状态的关系式为k=2f c2f2-cf(R1+R3)+R1R31-R3若采用增大水荷载为超载方式,推导出超载系数与应力状态的关系式为k=cf(R1-R32)1+1f2-R1+R32显然,两种超载方式得出的结果并不相同,有时甚29第1期王均星等:高拱坝承载能力研究至相差甚远.因此,在研究高拱坝的破坏机理时,究竟该采用什么超载方式是很值得探讨的,因为这牵涉到对高拱坝承载能力计算的结果能否给出正确的结论.最近有学者提出一种全新的关于拱坝破坏分析的思想[9]:首先建立拱坝断裂的随机模型,然后进行数学模拟分析,在模拟分析过程中把参与分析的主要参量取为随机变量,进行随机数学分析,则可以记录各点依次破坏的概率及条件概率,得到拱坝破坏轨迹的概率向量,即拱坝从出现裂缝到每条裂缝开展稳定或不稳定溃坝的条件概率序列.向量中任一个分量代表了一种破坏程度的概率.最后得到开裂稳定或达到溃坝的概率,即拱坝沿最大可能失效路径的失效概率和可靠度.此方法目的在于研究拱坝一种较大可能的破坏过程,以研究溃坝的机理.应该说,从这种可靠度的概念出发,利用计算机的仿真计算,去追踪高拱坝的破坏机理和破坏轨迹,可能更能说明问题.2破坏状态的判据对于三维问题,目前还没有统一的、为力学界和工程界共同认可的破坏判据,而根据不同破坏判据得到的安全度一般是不同的,这就给结构安全度的确定带来困难.理论上来说,使结构达到极限状态的极限荷载可以用塑性力学的塑性极限定理从理论上确定.结构中某点的应力状态可用张量{R}表示,它与结构所受外荷载有关,当外荷载较小时,结构中某点处于弹性状态;当外荷载增大到某一数值时,结构中某点进入塑性状态,通常称该点屈服了.当外荷载增加到结构内有足够大的屈服区域并构成破坏机构时,对于理想塑性材料,变形将无限制地增大,也即结构破坏了.结构物内部构成破坏机构的状态称为极限状态,导致破坏机构的荷载称为极限荷载.所谓破坏机构,就是一种可变机构,即结构物在破坏时的一种运动形式,它必须符合结构物的几何约束条件和外荷载在结构破坏时所做总功为正的条件.拱坝是高次超静定结构,局部的破坏并不意味着拱坝整体的破坏.拱坝的安全评价可从拱坝解除多余的约束上分析.譬如以固端拱为例,两端固定的拱为三次超静定结构,如果形成一个塑性铰,等于拆掉一个约束,当形成三个塑性铰以后,结构还是静定结构,此时,如果再增加一个塑性铰,结构将失稳.实际分析时,一般只能采用数值方法或试验进行研究.物理模型的超载试验可以很直观地得到解决,但是数值计算方法特别是非线性有限元的数值模型超载仿真计算,值得认真考虑.拱坝的破坏实质上虽是强度破坏,拱坝处于极限状态时,只要有一个小的扰动,拱坝就将偏离原平衡状态而不能恢复,即由静止状态向可动状态转变.因此这是一种失稳现象,由于其应力-变形曲线具有极值点,因而它属于极值点失稳类型,目前常采用以下破坏判据:(1)收敛性判据.强度型失稳属于极值点失稳,其荷载变形曲线具有极值点,此时,在计算上的反映就是迭代过程不收敛.因此在进行弹塑性分析的过程中,在排除其他原因之后,确实是由于塑性区发展太大引起的迭代计算不收敛,可以作为系统破坏的判据.(2)塑性区贯通法.当拱坝的屈服破坏区不断增加,以至于相互连通形成破坏机构,则可认为拱坝已破坏.(3)位移突变法[10].根据拱坝位移变化的情况,确认拱坝是否无法正常工作.这种方法是基于这样一个观点:拱坝极限状态同拱坝最大位移与水压力超载系数关系曲线上的转折点(由位移缓慢增长到急剧增大的临界点)相对应,用该点的水压力超载系数来衡量坝体的安全度,并定义相应的水荷载为极限荷载.(4)能量法.以系统总能量二阶变分的正负值来判定结构是否破坏.这个方法的基本思想是:每超载一次即改变了结构系统,如果本次计算能够迭代收敛,说明这一系统能够达到平衡,系统总势能一阶变分为零.而系统平衡是否稳定,根据总势能的二阶变分D2F的正负值来考察,D2F>0,系统平衡是稳定的;D2F=0,系统平衡处于临界状态;D2F<0,平衡则是不稳定的.目前,使用较多的方法是根据高拱坝塑性区的分布及位移发生突变的情况来综合判定高拱坝的破坏.但这一种方法还没有一个准确的标准,更多的是依赖于设计者的经验.一般说来[11],高拱坝的破坏过程是由非线性变形开始,逐步向开裂破坏和破碎破坏发展,直至丧失承载能力.在超载的初始阶段,坝处于线弹性工作状态,其应力和位移也呈线性增长,超载到一30武汉大学学报(工学版)2004定程度,某些局部应力将超过材料强度,通常在坝踵部位开始出现非线性变形.随着荷载的增加,拱坝迅速调整应力,继续承载,直至拱坝大部分区域进入屈服状态.因此,有学者建议按高拱坝的弹性状态、开裂状态和极限状态分别给出稳定安全度.采用这种方式来描述高拱坝的工作状态能够清楚地说明高拱坝的渐进破坏过程,可以在实际工程运用中,为到底选用多大的安全指标给出参考依据.3结语高拱坝的承载能力问题是一个复杂而有待进一步研究的问题,本文仅是对近年来高拱坝承载能力方面的成果做了一些综合和探讨.今后还应该从提高模型试验技术、利用计算机仿真技术等多方面,对高拱坝的承载能力和破坏机理等基础性的问题做细致深入的研究,为高拱坝设计准则的改进提供依据.参考文献:[1]陈应齐.合理评价拱坝的安全级别[J].贵州水力发电,1997(3):12-15.[2]潘家铮,陈式慧.关于高拱坝建设中若干问题的探讨[J].科技导报,1997(2):17-19.[3]傅作新.拱坝设计计算的几个问题[J].水电站设计,2002,18(2):7-11.[4]范金星.拱坝三维有限元塑性极限分析[D].武汉:武汉水利电力大学,1991.[5]夏颂佑.拱坝极限承载能力和破坏机理[J].河海大学学报,1990,18(2):93-100.[6]林鹏.高拱坝超载的计算机仿真[J].水利水电技术,2000,31(8):4-7.[7]周伟,常晓林,唐忠敏,黎满林.溪落渡高拱坝渐进破坏过程仿真分析与稳定安全度研究[J].四川大学学报,2002,34(4):46-50.[8]高大水,章建军,高润德.关于建筑物强度储备系数的讨论[J].人民长江,1977,28(6):14-15.[9]杨令强,练继建,张社荣,陈祖坪.拱坝的破坏分析及超载问题探讨[J].水利学报,2003(3):55-62.[10]傅作新,钱向东,郑雄.拱坝极限承载力的分析方法研究[J].河海大学学报,1991,19(5):25-31.[11]周维垣,杨若琼,剡公瑞.高拱坝的有限元分析方法和设计判据研究[J].水利学报,1997(8):1-6.(上接第14页)对比试验与数值计算可发现:调压井水位波动的试验结果与数值计算结果十分接近,包括调压井水位波动的波动周期、涌浪的振幅以及作用于底板上的压差.由于数值计算时阻抗孔阻抗系数取的是固定值0.7[3],而实际阻抗孔口的阻抗系数是随流态变化的,因此试验结果比数值计算要大2m左右,这正说明模型试验的作用.模型试验的一个主要目的就是确定调压井的阻抗孔的阻抗系数[5],为数值计算提供依据.蜗壳最大压力试验结果与数值计算结果也有一定的差别,原因是球阀的过流特性与水轮机的过流特性存在差别,试验可通过严格控制球阀的关闭规律来模拟水轮机过流特性.数值计算的目的除与试验结果相互验证外,主要是确定机组的调保参数(如机组转速升高值),所以模型试验与数值计算是相互补充、相互验证的.4结论综上所述,利用球阀代替昂贵的水轮机进行水电站水力过渡过程试验,不仅能准确测试出调压井底板上下的压差和调压井水位波动过程,而且能观察到数值计算中无法反映的进出调压室的水流流态的变化.由于调压室水位波动是水体质量波动,导叶关闭规律对调压室最低和最高涌浪影响甚小,试验和数值计算都证明了这一点.导叶关闭规律主要影响水击压力,如果能控制好球阀的关闭规律,则试验中蜗壳最大压力值应能正确反映实际值.参考文献:[1]成都科技大学水力学教研室编.水力学(下册)[M].北京:人民教育出版社,1979.[2]吴荣樵,陈鉴治.水电站水力过渡过程[M].北京:中国水利水电出版社,1997.[3]水电站调压室设计规范(DL/T5058-1996)[S].北京:中国电力出版社,1997.[4]刘梅清,杨文容,徐叶琴.带虹吸式出水流道轴流泵站起动水力过渡过程研究[J].武汉大学学报(工学版),2003,36(1):1-4.[5]耶格尔C.水力不稳定流[M].王树人译.大连:大连工学院出版社,1987.31第1期王均星等:高拱坝承载能力研究。