混凝土坝安全评估与监控方法的改进
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混凝土坝安全评估与监控方法的改进
小结：
（1）应变计：很难测出应力场全貌 不能给出安全系数
作 用：监控 校核
（2）可用观测资料：变位，温度，场压力 不能给出大坝应力场、安全系数
（3）安全系数计算：设计规范方法
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
2. 目前采用的安全评估方法
重力坝应力——材料力学法 拱坝应力——拱梁分载法 抗滑稳定——刚体极限平衡法 七、八十年以前的老方法
优点：积累了一定实用经验 缺点：不能反映真实应力状态
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
2.1 现行安全评估方法的缺点
（1）没有考虑：施工温度应力、施工过程 （2）只 考 虑：坝面水压力
未 考 虑：地基水荷载、地应力、 基础开挖、处理
（3）抗滑稳定：只考虑力的平衡 未考虑应力状态、坝与基础相互影
（4）拱梁分载法采用来自百度文库ogt系数，太粗糙 不能考虑渗流、地应力、断层、节理
陈村拱坝
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
陈村拱坝：
坝高76.3m，弧长419m，28个坝段 施工：1958～1962
1968～1972完工 1978 加高1.3m 缺乏温控，未冷却即灌缝 水平裂缝：高程105m，长300m，深>5m
高程111.5m，长200m，深>10m 坝顶竖向裂缝：深>8m 基础：4条大断层
设计阶段 1.优化设计方案
反映：各种复杂因素 施工过程
2.避免事故 梅花坝 响水坝 柯茵布兰坝 托拉坝
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
施工阶段 1.了解施工期温度场、应力场 2.预报运行期应力场 3.发现问题，及时处理
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
运行阶段 安全评估切合实际
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
混凝土坝安全评估与监 控方法的改进
2020/11/26
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
当前矛盾： 建坝规模、高度空前 安全评估方法：陈旧 重力坝，材料力学方法 拱坝，多拱梁法 抗滑稳定，刚体极限平衡 70年前老方法
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
1.仪器观测不能给出应力场和安全系数
1.1 仪器测点太少
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.1.2 陈村大坝整坝网格示意图
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.1.4 陈村拱坝横缝、施工缝、坝体裂缝单元示意图
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.1 夏季上游面主应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.2 夏季下游面主应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.3 夏季坝体剖面σ1应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.4 冬季上游面主应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.5 冬季下游面主应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.6 冬季坝体剖面应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图8 18坝段坝顶径向位移计算值与实测值比较图
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图11.3.35 考虑初应力冬季水压超载结构破坏时上游面损坏分布图
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图11.3.36 考虑初应力冬季水压超载结构破坏时下游面损坏分布图
（5）忽略了非线性温差 （6）不能考虑非线性变形、裂缝、接缝影响
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
评估结果：脱离实际 有的工程：质量很差，问题很多 评估结果：安全系数相当大
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
3.全坝全过程有限元仿真的安全评估
(1) 力学特性：弹性变形、徐变、非线性变形 (2) 屈服准则：混凝土—五参数准则
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
全过程有限元仿真安全评估特点 1. 充分反映实际情况 2. 充分利用观测资料 3. 安全评估结果符合实际
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
基于全过程仿真的安全评估与监控 设计阶段：考虑施工过程 施工阶段：全坝、全过程仿真 运行阶段：反分析+全坝全过程仿真
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
岩 体—带抗拉强度的Druker-Prager准则 节理、接缝——Mohr-Coulumb准则 (3)全坝仿真：拱坝全部坝段，重力坝单个坝段 (4)全过程仿真：开工—施工—运行
气候变化、温度控制、接缝开合、裂缝、 地应力、施工质量 (5) 荷载：自重、温度、水压力、渗流场、地应力 (6) 反分析：充分利用观测资料反算材料热学、力学参数 (7) 安全评估：超载或降强，非线性计算至破坏，安全系数
•1
•2
•3
总 共：20坝段 观测剖面：3个（应变计，温度，渗压计） 无 测 点：17个
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
3层，每层3~4测点 每点：3、5、7向应变计 水工结构书本：应力简单 实际应力：复杂 原 因：分层施工
温度变化
•观测剖面应变计测点
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
图1 景洪重力坝三维 仿真计算第一主 应力包络图（MPa）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
• (a) 11坝段
(b) 18坝段
(c) 21坝段
•图11.3.37 考虑初应力冬季水压超载结构破坏时 •11、18、21坝段剖面损坏分布图
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
超载系数： 考虑应力历史：冬季 1.80 夏季 1.91 不考虑应力历史：2.17 常规多拱梁计算：压应力安全系数12.34
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
图2 陈村重力坝18坝段 顺河剖面第一主应 力包络图（MPa）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
1.2 应变计有效率较低
因素：仪器埋设 基准值取值 自生体积变形 仪器维护 运行期，应变计有效率较低
每点6个应力分量，需6个应变分量反算 7个应变计，坏2支，算不出6个应力分量
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
丰满重力坝
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
丰满重力坝：
•267.7m
坝高91.7m，全长1080m
1937—1945，浇89%
1948—1953，复建
无冷却
•176
纵缝未灌浆，220m以上无键槽
施工质量低
裂缝多
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
小结：
（1）应变计：很难测出应力场全貌 不能给出安全系数
作 用：监控 校核
（2）可用观测资料：变位，温度，场压力 不能给出大坝应力场、安全系数
（3）安全系数计算：设计规范方法
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
2. 目前采用的安全评估方法
重力坝应力——材料力学法 拱坝应力——拱梁分载法 抗滑稳定——刚体极限平衡法 七、八十年以前的老方法
优点：积累了一定实用经验 缺点：不能反映真实应力状态
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
2.1 现行安全评估方法的缺点
（1）没有考虑：施工温度应力、施工过程 （2）只 考 虑：坝面水压力
未 考 虑：地基水荷载、地应力、 基础开挖、处理
（3）抗滑稳定：只考虑力的平衡 未考虑应力状态、坝与基础相互影
（4）拱梁分载法采用来自百度文库ogt系数，太粗糙 不能考虑渗流、地应力、断层、节理
陈村拱坝
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
陈村拱坝：
坝高76.3m，弧长419m，28个坝段 施工：1958～1962
1968～1972完工 1978 加高1.3m 缺乏温控，未冷却即灌缝 水平裂缝：高程105m，长300m，深>5m
高程111.5m，长200m，深>10m 坝顶竖向裂缝：深>8m 基础：4条大断层
设计阶段 1.优化设计方案
反映：各种复杂因素 施工过程
2.避免事故 梅花坝 响水坝 柯茵布兰坝 托拉坝
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
施工阶段 1.了解施工期温度场、应力场 2.预报运行期应力场 3.发现问题，及时处理
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
运行阶段 安全评估切合实际
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
混凝土坝安全评估与监 控方法的改进
2020/11/26
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
当前矛盾： 建坝规模、高度空前 安全评估方法：陈旧 重力坝，材料力学方法 拱坝，多拱梁法 抗滑稳定，刚体极限平衡 70年前老方法
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
1.仪器观测不能给出应力场和安全系数
1.1 仪器测点太少
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.1.2 陈村大坝整坝网格示意图
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.1.4 陈村拱坝横缝、施工缝、坝体裂缝单元示意图
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.1 夏季上游面主应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.2 夏季下游面主应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.3 夏季坝体剖面σ1应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.4 冬季上游面主应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.5 冬季下游面主应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图7.3.6 冬季坝体剖面应力分布云图（单位：t/m2）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图8 18坝段坝顶径向位移计算值与实测值比较图
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图11.3.35 考虑初应力冬季水压超载结构破坏时上游面损坏分布图
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
•图11.3.36 考虑初应力冬季水压超载结构破坏时下游面损坏分布图
（5）忽略了非线性温差 （6）不能考虑非线性变形、裂缝、接缝影响
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
评估结果：脱离实际 有的工程：质量很差，问题很多 评估结果：安全系数相当大
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
3.全坝全过程有限元仿真的安全评估
(1) 力学特性：弹性变形、徐变、非线性变形 (2) 屈服准则：混凝土—五参数准则
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
全过程有限元仿真安全评估特点 1. 充分反映实际情况 2. 充分利用观测资料 3. 安全评估结果符合实际
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
基于全过程仿真的安全评估与监控 设计阶段：考虑施工过程 施工阶段：全坝、全过程仿真 运行阶段：反分析+全坝全过程仿真
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
岩 体—带抗拉强度的Druker-Prager准则 节理、接缝——Mohr-Coulumb准则 (3)全坝仿真：拱坝全部坝段，重力坝单个坝段 (4)全过程仿真：开工—施工—运行
气候变化、温度控制、接缝开合、裂缝、 地应力、施工质量 (5) 荷载：自重、温度、水压力、渗流场、地应力 (6) 反分析：充分利用观测资料反算材料热学、力学参数 (7) 安全评估：超载或降强，非线性计算至破坏，安全系数
•1
•2
•3
总 共：20坝段 观测剖面：3个（应变计，温度，渗压计） 无 测 点：17个
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
3层，每层3~4测点 每点：3、5、7向应变计 水工结构书本：应力简单 实际应力：复杂 原 因：分层施工
温度变化
•观测剖面应变计测点
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
图1 景洪重力坝三维 仿真计算第一主 应力包络图（MPa）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
• (a) 11坝段
(b) 18坝段
(c) 21坝段
•图11.3.37 考虑初应力冬季水压超载结构破坏时 •11、18、21坝段剖面损坏分布图
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
超载系数： 考虑应力历史：冬季 1.80 夏季 1.91 不考虑应力历史：2.17 常规多拱梁计算：压应力安全系数12.34
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
图2 陈村重力坝18坝段 顺河剖面第一主应 力包络图（MPa）
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
1.2 应变计有效率较低
因素：仪器埋设 基准值取值 自生体积变形 仪器维护 运行期，应变计有效率较低
每点6个应力分量，需6个应变分量反算 7个应变计，坏2支，算不出6个应力分量
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
丰满重力坝
混凝土坝安全评估与监控方法的改进
丰满重力坝：
•267.7m
坝高91.7m，全长1080m
1937—1945，浇89%
1948—1953，复建
无冷却
•176
纵缝未灌浆，220m以上无键槽
施工质量低
裂缝多
混凝土坝安全评估与监控方法的改进