高拱坝坝踵应力实测与弹性计算结果差异原因分析

坝踵应力是关系到混凝土坝是否开裂和安全的一个重要指标,不管是用结构力学法还是有限元法都能计算出坝踵有一定的拉应力,但实际监测中却很少出现。本文从定性和定量两个方面分析造成计算结果和实测结果差异的原因,以小湾特高拱坝为例分析影响计算精度的各项主要因素,在此基础上提出坝踵真实应力的仿真分析方法。结果显示,计算和实测应力差异原因主要在于以下3个方面：（1）坝踵位置的定义不同;（2）目前监测仪器和方法有局限性;（3）计算过程中的不当简化,如自重和水压的施加方式、坝体温度荷载的考虑、库水温度分布以及库盆水压的影响等。改进后的仿真分析结果与监测结果吻合良好,说明该方法能够给出合理的坝踵应力变化规律和比较精确的应力范围。最后,给出了坝踵应力监测仪器和方法的改进建议。     

浅议高拱坝坝踵实测与计算应力差异原因

高拱坝坝踵应力是评价拱坝安全的重要指标之一,采用目前规范中规定的方法计算得到的坝踵应力一般会存在拉应力,而工程中实测监测成果得到的坝踵应力基本表现为压应力,二者存在一定差异。本文从定性和定量方面分析坝踵实测应力与计算应力差异的原因,分析表明:坝基岩体特性、有限元网格划分、温度荷载、荷载加载过程、坝基岩体变形导致的坝体变形对设计计算应力有影响;监测仪器安装质量、大坝混凝土参数选取、自生体积变形、监测位置对实测应力有影响。通过某拱坝坝踵实测应力影响因素变量分量,得到了各因素对拱坝应力的影响,从定量方面揭示了除水位、温度外的因素对拱坝应力的作用。     

重力坝计算与实测坝踵应力差异中扬压力作用研究

坝踵应力是评价重力坝安全的重要指标,按无拉应力准则设计的重力坝采用有限单元法分析时往往出现较大的拉应力,但实际工程中未见观测到拉应力的报道,有的甚至出现较大压应力,同时实测应力变幅往往远小于计算值。本文统计了国内外24座重力坝观测结果,分析了坝踵应力蓄水前后变化特点,以一典型重力坝断面为例,采用材料力学法和有限元法对坝踵应力进行计算,对比分析了理论坝踵和实测坝踵应力变化规律,重点研究了扬压力对两个坝踵点应力贡献作用,揭示了计算和观测坝踵应力差异的原因之一。结果表明：理论上的坝踵应力是坝踵基岩一侧计入扬压力作用的有效应力,实测坝踵应力则是距基础一定距离、坝体混凝土内部的总应力,两者存在一个与扬压力接近的应力差;按无拉应力准则设计的重力坝,坝内测点不会出现拉应力,最小压应力为0.5～1.0倍的上游水头;实测坝踵的有效应力取决于渗流场和孔隙水压力系数(B系数),该点渗透压力变幅小于上游水头且存在滞后,致使应力变幅明显小于理论坝踵应力变幅;扬压力在理论坝踵和实测坝踵的作用差异是实测与计算坝踵应力差异显著的重要原因之一。     

特高拱坝真实温度荷载及对大坝工作性态的影响

特高拱坝实际温度荷载与设计温度荷载在初次蓄水期有较大差别:一是承担封拱后温度回升荷载的结构形式不同,封拱后的温升仅作用于封拱之后的部分坝体而不是整体大坝;二是实测库水温与预测库水温不同,中下部高程实测库水温明显高于设计库水温。本文以二滩和小湾特高拱坝为例,研究设计温度荷载与真实温度荷载差异对特高拱坝的影响,并分析了真实温度荷载作用下小湾拱坝受力情况。结果表明,考虑坝体温度回升分层施加过程时,坝踵部位明显呈受压趋势;目前常用的库水温预测方法会低估坝体上游面受压程度。考虑真实温度荷载后得到的小湾拱坝坝踵应力结果与监测结果规律一致,数值相近,结果更为准确。     

重力坝动态断裂分析

地震作用下重力坝的坝踵裂纹及其稳定性是工程界普遍关心的问题。本文基于比例边界有限元法（the scaled boundary finite element method-SBFEM）研究重力坝坝踵裂纹的动态应力强度因子（stress intensity factor -SIF）的变化规律。SBFEM的优点是可以给出位移场沿径向的解析解，直接按定义求出SIF，而不必对裂尖进行特殊处理。以柯依那重力坝作为算例，进行了频域法和时域法的分析，比较了不同坝踵裂纹长度的应力强度因子，计算了地震应力沿坝基交界面的变化。同时计算了裂纹内水压分布对应力强度因子的影响。计算结果表明随着裂纹长度的延伸， 的峰值逐渐增大；裂纹内水压力越大，对应力强度因子的影响越大。研究成果对重力坝抗震安全性评价具有重要意义。     

重力坝实测结果的重回归与相关分析

利用一个重力坝的实际观测资料，针对影响大坝变经和应力的两个重要因素水压与温度，对大坝变位及应力的影响进行了重回归和相关分析，分析结果说明，重回归方法，可以很好地将影响实测结果的各种因素分离，从而分析各种因素对坝体各变化量的影响，该重力坝的坝顶位移中温度变化引起的位移可达总位移量的1／3以上；温度应力在坝体总应力中占相当的比例，特别是坝踵的温度应力较大；温度应力除受气温度的影响外，拉应力主要起因于 最高温度起的温度下降，该大坝的拉应力主要来自于两次水管冷却引起的温除，纵缝中、下部由于接缝灌浆成为一体，能很好地传递压力，但在坝体表面附近，由于温度应力影响可能已经张开，不能传递水压荷载。     

小湾拱坝蓄水期应力应变性态分析

应用变形法对某高拱坝坝踵应变计组进行了应力计算，采用统计模型分离了影响应力的各个分量，分析了蓄水期前后应力变化规律和主要影响因素，比较了相同水位下应力变化情况，结果表明：坝踵处水压分量是影响应力的主要因素，在水位抬升的过程中，压应力减小，坝踵处应力性态总体正常。     

重力坝的实测坝踵应力及原因分析

本文总结了多年来国内外重力坝坝踵应力的主要观测成果。大量事实表明，蓄水后水压对坝踵应力影响甚微，坝踵仍处于受压状态，垂直向压应力通常可达１ＭＰａ～２ＭＰａ。其形成主要原因可能是蓄水后混凝土上游面湿度增加、坝体降温及基础灌浆等综合作用所致。文章为改进我国今后在坝工设计及安全管理工作提供了可靠依据。     

《大坝观测与土工测试》2001年总索引

第２５卷 第１～６期 总第１１５～１２０期专题“九五”期间水电站大坝安全监测的进展及发展前景……魏德荣（１，１）重力坝的实测坝踵应力及原因分析………………… 王志远（１，４）大黑汀溢流坝混凝土破坏调查与检测结果……高彦国 焦秀兰（１，７）基于模糊神经网络和遗传算法的大坝安全监控模型的研究 ……………………………… 苏怀智 吴中如 温志萍，等（１，１０）重力坝的实测坝踵应力及原因分析（续完）………王志远（２，１）大坝安全监测工作中应注意的问题……………赵花城（２，４）大坝安全监控专家系统数据库索引机制的优…     

溪洛渡特高拱坝初蓄期应力应变监测资料分析

溪洛渡拱坝最大坝高接近300 m,国内外可借鉴的经验相对较少,建设和初次蓄水运行过程中的工作性态一直备受关注。根据溪洛渡拱坝内埋设的应变计组实测资料(截至2014年10月5日),计算拱坝在初次蓄水阶段的应力状态,分析其发展过程,并和有限元仿真计算结果相对比,为评估大坝运行的安全性提供依据。监测资料分析结果表明,拱坝应力发展过程和应力分布符合一般认识规律,库水位抬升至正常蓄水位后,坝踵和坝趾仍都处于受压状态,拱坝在初蓄期工作性态正常。     

高拱坝的开裂与体形优化

通过对小湾拱坝的弹性有限元计算，分析了坝踵区在拉应力作用下裂缝出中能性，进而描述了进行拱坝开裂分析所采用的裂缝模型，并给出了小湾拱坝出现裂的可能范围以及坝踵区应力变化的非线性有限元计算成果，讨论了开裂约束条件下拱坝体型优化的数学模型及强度控制指标和开裂深度控制指标。     

小湾拱坝设诱导缝对坝体应力变形的影响

对小湾拱坝底部设诱导缝进行了模拟,应用三维有限元方法对小湾拱坝底部设诱导缝和不设诱导缝的拱坝坝体的应力变形进行了计算分析.结果表明：设置诱导缝,能有效地改善坝踵附近的应力分布,且对拱坝的整体稳定安全度影响很小.     

混凝土高拱坝施工期温控防裂仿真研究

混凝土高拱坝封拱和蓄水是一个持续时间较长的动态交替过程。浇筑方案对坝体施工期温度场和温度应力有着重要的影响。采用三维有限元法对小湾混凝土高拱坝22号坝段两种浇筑方案的施工期温度场及温度应力进行了全过程仿真分析,得到了高拱坝温度场及温度应力变化的一般规律．提出了减小二期冷却结束时温度应力的措施。仿真计算中考虑了坝体混凝土材料的热力学性能、浇筑过程、水管冷却、环境温度变化、封拱和蓄水过程。仿真结果对混凝土高拱坝的温控防裂设计有参考价值。     

底缝对高拱坝地震反应影响的研究

作为减少坝踵部位拉应力的一个工程措施，在拱坝上游底部设置人工底缝已有４０年的历史，然而，强震时底缝对高拱坝抗震性能的地震反应影响的机理和程度，为人们所关注。本文首先通过大型地震模拟振动台的大比尺动力模型试验，比较验证基于显式有限元结合人工透射边界的波动模拟方法与动接触力理论相结合开发的大坝非线性波动分析方法和程序；继而采用经试验验证程序，研究小湾高拱模拟底缝的地震反应。结果表明：底缝影响是局部的，     

小湾水电站双曲拱坝混凝土温控措施仿真计算研究

采用ANSYS维有限元温控计算程序,按照理论分析-数值仿真-经验判断的技术线路,结合小湾拱坝的实际体形和材料参数,用二维和三维的研究方法,对小湾拱坝典型拱冠坝段混凝土施工期温度场及温度应力进行全过程仿真分析计算,对影响混凝土温度应力的主要温控措施进行了敏感性分析,提出了符合小湾工程的温控防裂措施。     

自重与初次蓄水对特高拱坝应力的影响

以小湾拱坝为例,对不同自重施加方式及初次蓄水条件下大坝的应力进行了三维数值仿真分析。对不同施工方案的应力对比研究结果表明,自重施加方式、封拱灌浆过程及初次蓄水均对坝体应力分布有较大影响,自重全部由梁承担过小地估计了坝体上游拉应力,而整体施加自重、水压时,计算得到的拉应力偏大,从计算精度考虑,小湾拱坝应力计算按10次以上的分期浇筑、分期封拱及分期蓄水过程模拟为宜。     

拱坝结构诱导缝力学参数反演分析及工程应用

确定设置在拱坝结构中的诱导缝力学参数是工程界的一个难题，一直未能很好解决。本文提出了一种新方法，采用BP神经网络方法与有限单元法相结合的联合反演方法，对诱导缝接触面的力学参数进行反演，较好地解决了该问题。并针对超大型实际工程小湾拱坝进行应用，结果表明通过对诱导缝面的法刚和切刚力学参数反演，有限元计算值与实际监测值吻合较好；当前施工浇筑状态下整个诱导缝面处于受压闭合状态,诱导缝靠近上游侧的压应力和挤压变形大于靠廊道侧的压应力和挤压变形，并且中间坝段大于两端坝段。本方法很好地解决了实际工程问题，具有相当的参考意义。     

Safety evaluation of replacement reinforcement quality in abutment contact zones of ultra-high arch dam in first impoundment period based on prototype monitoring

Reinforcement quality evaluation at the abutment is an important research direction. Prototype monitoring and theoretical derivation were integrated to study the replacement reinforcement quality in abutment contact zones of the Xiaowan ultra-high arch dam. The principles of monitoring layout and design are introduced in detail. Prototype monitoring shows that the increment of the interfacial compressive stress is much larger in the impoundment stage than in the regulating stage. The water pressure and time-effect are two main factors affecting the interfacial stress. The time-effect is the key factor in the initial impoundment stage, and the water pressure is the key factor after impoundment. The contact properties are significantly improved by grouting. This study shows that there are three typical stages in the joint opening hydrographs, namely the compression stage, opening stage, and stable stage. There is a nonlinear relationship between the joint opening and temperature, which can be well described by the S-function. In conclusion, the reinforcement effect is satisfying, and the abutment is safe.     

混凝土拱坝坝踵张开、不对称变形性态分析

拱坝坝踵混凝土与基岩之间的结合状况,以及接触面附近基岩内裂隙的闭合状况,直接关系到拱坝渗流和结构的安全,工程实例和分析表明,宽谷拱坝坝踵比较容易出现张开现象,避免水位和温度的不利组合,对防止坝踵张开具有重要作用。拱坝切向不对称变形趋势是判断拱坝整体工作状况是否正常的重要依据,若不对称变形呈发散型增大变化,很可能坝体、坝基已遭受损坏,需引起高度重视,应结合其它监测信息综合评判,采取必要措施,防止灾害性事故发生。     

小湾高拱坝坝踵开裂的有限单元法分析

在开裂单元中引入不连续形函数，然后基于虚功原理推导出开裂单元的广义刚度矩阵和广义荷载的具体表达式，以及有限元平衡方程，从而建立了一种三维裂缝扩展的不变网格有限元分析方法。运用该方法对已建的二滩拱坝和待建的小湾工程拱坝在相同的工况下进行了对比计算。计算结果表明：在目前所考虑的影响因素下，小湾拱坝和二滩拱坝的开裂范围、开裂程度及对网格疏密、混凝土抗拉强度和水力劈裂等影响因素的敏感程度都非常相似。考虑到二滩工程已建成，且运行正常，可以初步判定小湾工程的拱坝坝踵开裂危险性不大。