锦屏高拱坝整体安全度评估

Typical landform and geological profile of dam
第 26 卷
第4期
余天堂，等. 锦屏高拱坝整体安全度评估
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度的 Mohr-Coulomb 准则[2]：
F1 = σ z′ − σ t = 0
2 2 F2 = τ x ′z ′ + τ y ′z ′ − (c + fσ z ′ ) = 0
River valley of dam site of Jinping High Arch Dam
高程/m
图2 Fig.2
锦屏高拱坝坝区典型地形及地质剖面图 site of Jinping High Arch Dam[1]
[1]
性单元，建基面和断层采用薄层单元。锦屏高拱坝 三维有限元网格见图 3。 计算网格基本模拟了大坝的体型和结构特征、
2
拱坝坝顶高程1 885 m
计算模型与计算工况
2.1 计算范围和整体坐标系 计算范围的底面高程为 1 450 m，平面上横河向 近 1 200 m，顺河向大于 900 m。其中包括拱坝中心 面以左 654 m、中心面以右 522 m 的范围，且从拱 冠梁向上游延伸 294 m，向下游延伸 673 m。 整体坐标系 oxyz 的原点 o 落在高程 0 m 处， 在 平面上则是顶拱上游面与拱坝中心面的交点。x 轴
Abstract： Jinping High Arch Dam is the highest double-curvature thin arch dam in the world at present. The water pressure is huge，and the design is beyond the present criterion. The asymmetric characteristics of Jinping High Arch Dam include the landform of two banks， the geological conditions of two banks and the sunlight time of dam surface. For the asymmetries and high water pressure，the safety of Jinping High Arch Dam is one of key issues in the design and construction of Jinping High Arch Dam. With 3D nonlinear finite element method，the stress field and displacement field of Jinping High Arch Dam under some working conditions are studied；and the effects of the geologic formation of two banks on working behavior of arch dam are investigated. The stresses and displacements of dam body are apparently asymmetric for the left and the right banks. The reasons of the asymmetry are not only the asymmetric stiffness of two banks of foundation， but also the asymmetry of dam shape. So the shape of arch dam should be further optimized. The global safety degree(GSD) of Jinping High Arch Dam for natural foundation is studied under different failure modes：GSD that caused by upstream overloading water pressure is about 5.0；GSD that caused by shear strength reduction of rock in dam foundation is about 3.0；GSD that caused by earthquake is about 6.0. According to the distribution of failure zone，the important parts of
收稿日期：2006–07–18；修回日期：2006–11–23 基金项目：国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究项目(50539030)；国家自然科学基金资助项目(50609004). 作者简介： 余天堂(1971–)， 男， 博士， 1994 年毕业于河海大学工程力学系， 现任副教授， 主要从事复杂结构数值分析方面的教学与研究工作。 E-mail： tiantangyu@hhu.edu.cn
第 26 卷 第 4 期
余天堂，等. 锦屏高拱坝整体安全度评估
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reinforcing treatment are proposed，i.e. the part above elevation 1 800 m of downstream side of the left arch and that between the elevation 1 630 m and elevation 1 800 m of upstream side of the right arch end. Key words：hydraulic engineering；Jinping High Arch Dam；asymmetry；shape optimization；global safety degree(GSD)；evaluation；reinforcing treatment 锦屏高拱坝是目前世界上拟建的最高双曲薄拱
(5) (6)
式中： σ z ′ 和 τ x′z ′ ， τ y ′z ′ 分别为局部坐标系下的正应 力和剪应力；c，f 分别为材料的黏聚力和摩擦因数。 局部坐标系的 z′ 轴沿结构面法线方向，x ′ 和 y ′ 轴沿 结构面切线方向。
图3 Fig.3 锦屏高拱坝三维有限元网格
对混凝土采用四参数准则[2]：
1
引
言
坝，水压力巨大，其设计和分析都是超出现行规范 的。坝址区工程地质条件复杂。这些都使锦屏高拱 坝的安全性，包括坝身的强度和稳定、坝肩岩体的 稳定性，成为人们极为关注的问题，也是锦屏拱坝 建设中最重要的关键技术问题之一。 本文主要包括 3 个内容：(1) 运用三维非线性 有限元分析，模拟施工加载过程，研究锦屏拱坝在 多种工况下的应力场和位移场以及左右岸不利地质 构造对拱坝工作性态的影响；(2) 确定锦屏拱坝地 基系统在不同破坏模式下的整体安全度；(3) 对加 固区域提出一些建议。
图1 Fig.1
锦屏高拱坝坝址河谷
正向沿拱坝中心面指向下游，y 轴正向指向左岸，z 轴正向朝上。 2.2 拱坝体型 本次研究采用锦屏高拱坝体型为国家电力公司 成都勘测设计研究院于 2000 年 9 月修改的抛物线双 曲拱坝。坝顶高程为 1 885 m，坝底高程为 1 580 m， 最大坝高为 305 m，坝顶厚 13 m，拱冠底部厚度为 60 m，坝顶中心线弧长为 929.74 m。 2.3 网格剖分 拱坝坝体沿高程方向共有 16 层单元，沿厚度方 向布置 8 层单元。整个拱坝和地基共有 25 435 个单 元，28 008 个节点，其中坝体的单元数为 1 760，节 点数为 2 133。绝大部分实体单元是六面体八节点线
第 26 卷 第 4 期 2007 年 4 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.26 No.4 April，2007
锦屏高拱坝整体安全度评估
余天堂，任青文
(河海大学 土木工程学院，江苏 南京 210098)
摘要：锦屏高拱坝是目前世界上拟建的最高的双曲薄拱坝，水压力巨大，其设计和分析都超出现行规范。锦屏一 级拱坝的环境条件存在明显的不对称特点：一是两岸地形不对称；二是两岸地质条件明显不对称；三是坝体的坝 面受日照时间不对称。这些不对称性和高水压使锦屏高拱坝的安全性成为锦屏拱坝建设中最重要的关键技术问题 之一。运用三维非线性有限元数值分析方法，研究锦屏拱坝在多种工况下的应力场和位移场以及左、右岸不利地 质构造对拱坝工作性态的影响。坝体的应力和位移分布存在比较明显的左右不对称，引起不对称的原因除两岸地 基刚度不对称外，拱坝坝体的不对称也是重要原因，因此应进一步优化拱坝体型。确定锦屏拱坝地基系统在不同 破坏模式下的整体安全度：上游水压力超载引起系统失效的整体安全度约为 5.0；坝基岩体抗剪强度降低使系统失 效的整体安全度约为 3.0；地震灾害引起系统失效的整体安全度约为 6.0。根据屈服破坏区的分布，指出坝基加固 处理的重点部位为左拱端下游侧 1 800 m 高程以上和右拱端上游侧 1 630～1 800 m 高程之间。 关键词：水利工程；锦屏高拱坝；不对称；体型优化；整体安全度；评估；加固处理 中图分类号：TV 642.4 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)04–0787–08
式中：A，B，C，D 均为参数； f c 为混凝土抗压强 2.5 计算工况与荷载 计算工况和荷载组合见表 1。
表1 Table 1 计算工况与荷载组合
拱坝 f1 f13 f14 f5 煌斑岩脉 f2
Calculating conditions and load assembles
泥沙 压力 √ √ √ √ √ √ √ √ 温度 分析方法 弹塑性 地 震
渗 计算 地应 坝自 水压 流 工况 力 重 力 力 1 2 3 4 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
温降 温升 弹性 √ √ √ √ √ √
√
√ √ √ √ √
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图4 Fig.4
断层和煌斑岩脉的空间分布
Spatial distribution of faults and lamprophyre dike
EVALUATION OF GLOBAL SAFETY DEGREE OF JINPING HIGH ARCH DAM
YU Tiantang，REN Qingwen
(College of Civil Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China)
锦屏高拱坝系混凝土抛物线双曲拱坝，最大坝 高 305 m。大坝坝址两岸谷坡高近 1 000 m，基岩裸 露，岩壁耸立，为典型的深切 V 形谷(见图 1)。坝 址区虽然岩体坚硬，比较完整，但两岸山体中发育 有 f5，f8，f13，f14 等小断层和绿片岩及煌斑岩等软 岩，左岸山体存在深部裂隙等不良地质构造。坝址 地质条件存在明显的不对称(见图 2)，且左拱端地基 刚度小于右岸，上部刚度小于下部。为了提高左拱 端上部的刚度，左拱端 1 710 m 高程以上坝基开挖 深度比较大，导致拱坝体形的不对称，将进一步恶 化坝体的应力变形特性。
3D finite element mesh of Jinping High Arch Dam
F1 = σ 1 − σ t = 0
⎛ J2 ⎞ F2 = A⎜ ⎟ + B J 2 + Cσ 1 + DI1 − f c = 0 ⎜ f ⎟ ⎝ c⎠
度。
(7)
(8)
建基面形状、地形地貌、岩体构造，包括右岸的 f13， f14 断层，左岸的 f2，f5 断层，深部裂缝，煌斑岩脉 及两侧的 IV2 类岩体等(图 4)。