高拱坝安全性研究现状及存在问题分析

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1、水利学报年月第卷第期文章编号高拱坝安全性研究现状及存在问题分析任青文河海大学土木工程学院江苏南京摘要在总结高拱坝应力变形分析破坏分析和安全度评估的现行规范及现有研究方法的基础上指出这些方法存在的主要问题是在进行破坏分析和安全度评估时没有考虑拱坝的破坏模式破坏分析的层次不够明确分析方法的建立和破坏判据的确定缺乏理论依据针对这些存在问题提出了解决途径的建议高拱坝的破坏应从材料层次的局部损伤和结构层次的整体失效研究局部损伤须考虑材料的不均匀性整体失效的研究应采用非强度理论需要研究从材料层次的局部损伤到结构层次的整体失效破坏演变过程高拱坝安全度的评估需要与失效破坏

2、模式联系起来应通过风险分析寻找最可能失效模式确定与此模式相应的安全度关键词高拱坝破坏分析安全度评估中图分类号文献标识码由于拱坝优良的力学性能和造价的经济性全世界已建坝高超过的拱坝近座其中中国约有座如李家峡乌江渡东风等坝高都在以上其中二滩拱坝高达随着国民经济的飞速发展和西部大开发我国的西南和西北正在修建和即将修建一些级的特高拱坝如小湾溪洛渡锦屏白鹤滩等均为世界之最将为我国国民经济的发展发挥巨大的作用这些工程坝高库大环境条件复杂又多处于高烈度地震区一旦失事后果极其严重因此高拱坝的破坏与安全问题越来越受到人们的重视然而目前关于拱坝特别是高度超过的高拱坝其破坏机理

3、破坏演变过程破坏分析方法安全控制标准安全评估理论和方法的研究仍然存在不少问题没有得到很好的解决从而使得高拱坝的分析和安全评估产生困难为此本文在总结当前拱坝分析理论和方法的基础上指出存在的主要问题探索解决的途径现行拱坝规范的分析方法现有的拱坝规范在进行拱坝安全性分析时主要从坝体强度和坝肩岩体抗滑稳定性两个方面分别进行坝体强度的要求是采用拱梁分载法得到的主压应力和主拉应力不超过容许应力但规范应力控制标准与建筑物重要性无关混凝土主拉应力与混凝土强度无关显然不合理规范有了改进容许压应力与建筑物的重要性建立了联系但容许拉应力的问题依然存在控制值具体为容许压应力等于混

4、凝土极限抗压强度除以的安全系数容许拉应力为如果采用线弹性有限元方法计算坝体的应力文献建议计算等效应力再校核强度是否满足要求容许压应力与拱梁分载法相同容许拉应力为坝肩岩体抗滑稳定性校核的基本方法是刚体极限平衡法对每个可能滑移的岩块进行分析施加按拱梁分载法得到的拱端作用力和根据拱坝规范计算的其它荷载如地震荷载和渗透压力等再按以下的剪摩公式或纯摩公式计算抗滑稳定安全系数收稿日期基金项目国家自然科学基金委员会和二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目作者简介任青文男浙江宁海人硕士教授主要从事复杂力学系统的破坏与安全研究式中和分别为滑移面上的法向力和滑

5、动力和为剪摩公式中材料的摩擦系数和凝聚力是纯摩公式中材料的摩擦系数要求计算值不超过容许值根据建筑物等级和工况不同和的容许值分别为和规范还建议对于级拱坝或地质情况复杂的拱坝应辅以有限元法或其它方法但并没有给出基于有限元的稳定性分析方法和相应的控制标准国家发展和改革委员会最近公布的混凝土拱坝设计规范?也是从坝体强度和坝肩岩体的抗滑稳定性两个方面分别进行拱坝的安全性校核应力分析的主要方法仍然是拱梁分载法不同的仅是该规范按水利水电工程结构可靠度设计统一标准规定的原则修订采用概率极限状态的设计原则以个分项系数结构重要性系数设计状况系数荷载作用分项系数和材料性能分项系

6、数和结构系数的极限状态设计表达式代替老规范中单一的安全系数例如按承载能力极限状态进行校核时极限状态方程是式中为作用效应函数为结构抗力函数对于拱坝的整体稳定性以上规范都提到若拱座存在较大断层或软弱带时应进行整体稳定分析对平面曲率较小岸坡较平缓或岸坡有顺坡节理时应注意坝基浅层抗滑稳定问题但如何进行这样的稳定分析不够明确也没有相应的安全控制标准高拱坝安全研究方法对于坝高超过的高拱坝重要拱坝和地质条件复杂的拱坝规范要求进行专门的研究此时除了参照现行规范仍然从坝体应力与坝肩岩体稳定性两个方面研究高拱坝安全性采用规范给出的分析方法并参考其规定的控制标准外在以下几个方面

7、有所深化应力变形分析正确的应力变形数值和分布是拱坝强度校核和破坏分析的基础当前更多地采用以有限元为代表的离散化数值方法特别是以非线性有限元进行拱坝与地基的应力变形分析由于有限元方法具有严格的力学理论基础分析结果能够比较真实地反映高拱坝的应力变形情况和工作性态目前线弹性有限元分析的主要困难是计算参数的选取和计算结果对网格的依赖性等效应力法在一定程度上可以减小计算结果对网格的依赖性该方法己进入拱坝规范若进行非线性有限元分析计算结果对网格的依赖性更大此外材料参数和本构关系屈服准则非线性迭代计算的收敛性等也严重地影响最后的计算结果由于有限元是一种连续变形分析方法为

8、了模拟拱坝和坝基岩体存在多种不连续面如断层节理裂隙和坝体分缝等需要