监理工程师辅导：300m级高拱坝结构问题研究

300m高拱坝结构研究(96-221-04)是九五国家科技攻关项目“高坝工程技术研究”的第四个课题。结合即将建成的小湾、溪洛渡两座超高混凝土拱坝进行科技攻关。小湾拱坝高292米，溪洛渡拱坝高278米，均超过目前格鲁吉亚因古里拱坝(高272米)。本课题包括三个课题:
①高拱坝应力控制标准研究；
②高拱坝新的合理体型的研究与应用；
③高拱坝坝基抗滑稳定研究。主要成果如下:
(1)采用三维有限元法模拟大坝的施工和运行过程，系统分析了常规设计中未考虑的各种因素对拱坝应力状态的影响，如封拱前坝内温度变化引起的初始应力、横缝的抗拉阻力、施工过程和非线性温差对高拱坝应力的影响。采用有限元法和多拱梁法对国内外十余座已建高拱坝进行了详细的应力分析，研究了不同计算方法、不同计算软件和不同网格形式对拱坝应力的影响。对国内外已建的66座高拱坝的计算应力、实测应力和位移、应力控制标准、混凝土力学性能、实际运行工况和各国现行拱坝设计规范进行了整理和综合分析。找出了拱坝设计中已考虑和未考虑的各种因素对高拱坝应力状态的影响，为制定新的拱坝应力控制标准奠定了基础。
(2)现行拱坝应力控制标准存在诸多不足，如应力控制标准与建筑物重要性无关，容许拉应力与混凝土强度无关，不同计算方法和不同计算软件计算的应力值相差较大，但容许应力值相同，缺乏有限元法的应力控制标准等。在总结国内外拱坝建设实践经验的基础上，结合理论分析，提出了一套新的高拱坝应力控制标准，克服了现行拱坝设计规范的不足。容许应力与建筑物的重要性和混凝土的强度有关。给出了有限元法、拱梁分载法和不同软件的许用应力，反映了国内外拱坝建设的实践经验和科技进步。与现有工程相比，计算简单，可行。
(3)提出并改进了两种新型拱坝:混合曲线拱坝和二次曲线拱坝。与现有的拱坝型式相比，它们具有明显的优势。在相同的许用应力下，坝体体积可节省10%以上，相同体积下应力可降低10%以上。经过近几年的积极推广，建成了金龙、齐一、铜山一级拱坝等混合曲线拱坝，下灰坑、西尾、吴栋拱坝等二次曲线拱坝，目前尚有三座在建。由于拱坝体形的优化和新体形的推广应用，已建和在建拱坝累计经验效益达1.89亿元。
(4)改进了拱坝动力优化的数学模型、求解方法和工程应用，首次采用了能量模型。完成了可以同时考虑造价和安全的拱坝双目标优化方法和程序，并应用于小湾拱坝。拱坝的多目标优化(坝体体积、应力、拉应力区大小、破坏概率等。)进行了探索，并取得了初步成果。
(5)对有周边缝和底缝的拱坝进行了详细的三维非线性分析，加深了对有缝拱坝的认识，提出了有缝拱坝的优化模型和程序。
(6)通过大量的模型试验和非线性有限元分析，研究孔口配筋对裂缝开度、深度和拱坝安全的影响，提出合理的配筋方法和新的拱坝孔口配筋公式，用钢可节约25%。
(7)首次提出了地震区高拱坝横缝配筋的设计准则和计算方法，并以小湾拱坝为例进行了分析。
(8)提出了拱坝坝肩稳定计算的三维极限分析法，这是一种基于塑性力学上限解的新方法，并编制了相应的计算机程序。理论基础扎实，计算功能强大。
(9)建立了小湾水电站坝址区水文地质模型，提出了密集排水孔水流节点分布的快速计算方法和有潜水面的干旱区虚拟水流的不变网格有限元分析方法。研究了地表入渗引起的不利于边坡稳定的瞬态孔隙水压力的变化规律，提出了小湾拱坝基础防渗布置方案。
(10)运用弹粘塑性理论、三维刚体弹簧元、刚体极限平衡法等分析方法，对小湾、溪洛渡拱坝坝肩在动、静态条件下的抗滑稳定性进行了评价，找出了两岸坝肩稳定安全系数最小的块体；利用三维弹塑性有限元方法和大型地质力学模型，考虑坝址区主要断裂构造和孔塞、井塞、锚固等加固措施，对小湾拱坝加固前后的整体稳定性进行了对比分析，得出了加固后小湾拱坝的超载能力。
(11)研究了高拱坝沿建基面的破坏机理。用线性和非线性有限元方法分析了小湾拱坝的强度、稳定性和可能的破坏形式。结果表明，小湾拱坝沿建基面具有足够的抗滑安全度。
(12)提出了拱坝封拱温度场的两种优化模型，探讨了小湾拱坝的封拱温度和实施方法。
(13)提出了拱坝安全宏观评价的两种新方法；拱坝的应力水平系数和安全水平系数比目前使用的拱坝柔度系数更合理。
(14)探讨如何提高拱坝混凝土的强度等级，分析坝体的应力、温控、弹性稳定、抗震和材料特性，得出适当提高拱坝混凝土的强度等级是可行的，可以带来显著的经济效益。
(15)改进了Hoek-Brown岩体强度理论。根据非连续节理岩体强度的各向异性特征，推导出m和s的变化规律，预测了小湾岩体的力学参数，研究了非连续节理岩体的破坏机理。
(16)对拱圈型式进行了全面深入的研究。不同拱圈型式对坝体混凝土体积的影响可达20% ~ 30%，并给出了优化拱圈型式的方法和步骤。
(17)建立了多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形下的三维弹塑性损伤本构模型；研究了能反映锚杆(索)加固机理的损伤岩锚柱单元，根据能量等效原型和变形协调条件，推导了岩锚柱单元的弹性损伤系数和损伤岩锚柱单元对岩体刚度的影响。