混凝土拱坝运行期裂缝与永久保温

混凝土坝施工期裂缝问题目前已基本解决,但施工期未出现裂缝的拱坝,竣工后仍可能出现裂缝,这是目前尚未解决的问题。对运行期出现裂缝的原因进行分析,提出了运行期拱坝实际温度应力的计算方法。计算结果表明,非线性温差及寒潮是引起拱坝运行期裂缝的主要原因。表面永久保温是防止运行期出现裂缝的有效方法。     

混凝土坝计算技术与安全评估展望

我国已是混凝土坝大国,当前应加大创新力度积极争取成为混凝土坝强国。计算技术与安全评估在混凝土坝设计、施工、科研中占有重要地位,因此在混凝土坝计算技术与安全评估领域需要推陈出新。笔者建议:在拱坝应力分析中以有限元等效应力法取代拱梁分载法;在坝体坝基稳定分析中,以有限元强度递减法取代极限平衡法,对重要工程进行非线性有限元全坝全过程仿真分析;对坝体坝基安全评估建议考虑施工过程和时间效应,并基于有限元强度递减法;对于重要工程需建立数字水电站。利用新的计算技术,使我国在混凝土坝设计、施工、科研和管理上达到更高水平。     

丰乐拱坝的裂缝产生机理及其修复研究

丰乐混凝土拱坝运行二十多年来,坝体产生了大量裂缝,虽经多次修补处理,但裂缝仍有发展的趋势,严重影响了大坝的整体安全。为分析裂缝产生的机理,研究裂缝修复方案的可行性,首先采用三维有限元法计算分析了坝体和坝基在不同荷载下的拱坝应力和变形规律;采用三维非线性仿真分析方法,分步模拟了拱坝的实际加载过程,计算了丰乐拱坝设计工况下的工作状态,分析了大坝裂缝产生的机理,并提出了上游面喷涂保温材料、下游面挂喷钢纤维混凝土的补强加固方案。为验证该修复方案的合理性,首先按照大坝加固方案计算了三维温度场,为三维应力场分析提供荷载资料;然后采用三维有限元非线性仿真分析法,分步模拟了拱坝的实际加载过程和加固方案的实施过程,计算了加固后坝体在不同工况下的应力和变形规律。利用上述计算结果,综合评价了大坝加固方案的合理性和可行性。加固后的大坝监测资料分析和质量检测结果表明,该裂缝修复方案有效。     

构皮滩混凝土高拱坝全过程温度应力仿真分析

位于乌江干流中游的构皮滩水电站大坝为混凝土拱坝,最大坝高232.5m,厚高比为0.216,大坝拱冠底部厚50.28 m,最大拱端厚为58.43 m,混凝土工程总量为272.50万m3.全过程仿真模拟大坝混凝土施工浇筑、立模拆模、养护、环境气候变化、人工降温保温措施、施工度汛过程、横缝灌浆、水库蓄水过程以及混凝土材料热力学性质随时间变化等.采用三维有限元法计算分析了坝体各时期温度应力,分析研究了高拱坝温度应力场的特点及变化规律.     

拱坝坝体及孔口应力有限元仿真分析

结合工程实例介绍用有限元软件(ANSYS)计算坝顶设有泄洪孔的拱坝应力过程,分析在坝顶开设孔口后对拱坝应力和变形的影响。结果表明,坝体的应力和变形均符合有限元计算的一般规律,能够反映拱坝的实际应力分布情况。用有限元软件(AN-SYS)进行拱坝应力计算可节约时间,提高工作效率,在设计中有较大的应用价值。     

拱坝的有限元等效应力及复杂应力下的强度储备

有限元等效应力法今后将逐步取代拱梁分载法成为拱坝设计的主要方法,在计算有限元等效应力时,应直接进行数值积分,而不宜用二次曲线逼近,坝体自重宜用分步增量法计算,在坝体下游面压应力最大处,双向受压使混凝土抗压强度提高8％左右,如考虑施工期温度拉应力,抗压强度可能反而降低17％左右．在坝体上游面拉应力最大处,侧向压应力使混凝土抗拉强度下降7％～8％左右,在上游面拱冠区,三向受压,使抗压强度提高9％左右．     

国内拱坝的建设及发展

拱坝是水利水电工程中最重要的坝型之一。近年来,拱坝得到迅速发展,受到国内外水利水电工作者的高度重视。介绍了拱坝的建设特点、应用现状、拱坝体型、拱坝泄洪、拱坝施工等,简要介绍中国拱坝的建设与发展情况。     

基于非线性有限元法的混凝土拱坝稳定特性分析

由混凝土拱坝的受力特点可以看出,其稳定性主要是依靠坝肩两岸岩体来维持,因此,坝肩岩体的稳定直接关系到拱坝的正常运行与安全,是拱坝设计中较为关注的问题之一。文章结合某实际工程,以大型分析软件ANSYS为平台,以某混凝土拱坝和地形整体为研究对象,针对同一模型,采用超载系数法、强度储备系数法等从不同角度分析坝体结构的稳定性。通过非线性有限元计算分析得出,在不同超载荷载作用下裂缝首先沿坝基面向坝高方向发展,同时坝踵区的裂缝沿坝体坝厚方向扩展,最终趋于稳定。随着强度储备系数的增大,拱坝抗滑稳定安全系数随之逐渐减小,基本呈现线性发展。同时,坝体位移也基本呈线性分布规律,但是,当接近临界抗滑稳定安全系数时,坝体位移明显表现为非线性发展趋势。该稳定分析为充分了解拱坝的结构安全度提供计算依据。     

基于弹性本构关系的高拱坝破坏范围研究

弹性有限元法是目前拱坝安全度评价中广泛采用的方法,其存在一些问题,如混凝土的强度准则不同,得到的坝体破坏范围不同。采用弹性本构关系和三种强度准则,以某高拱坝为例,考虑施工浇筑过程中自重作用下温降荷载组合的研究工况并进行计算,得出采用双轴强度准则计算的建基面相对破坏范围比采用单轴强度准则的结果稍大,与采用三轴强度准则的结果基本相同。采用多轴强度准则考虑了第三主应力为压应力时对坝体开裂产生的影响,结果更加合理。     

中国是世界拱坝大国也是世界拱坝强国——在《特高拱坝建设总结及安全运行管理研究》会议上的发言

中国拱坝数量占全世界的40%,数量最多;世界最高的三座拱坝都在中国,因此中国是世界拱坝大国。中国解决了岩溶地区拱坝防渗、狭窄河谷拱坝大流量泄洪等技术难题,发展了碾压混凝土拱坝筑坝技术。中国学者首创大坝混凝土标号分区技术,首创混凝土坝温度应力理论体系,解决了大坝裂缝这一世界性难题;建立了拱坝优化理论、混凝土坝仿真分析方法、混凝土坝有限元等效应力方法、混凝土坝数值监控方法等,在拱坝设计和科研上取得了全世界最多的重要成果,因此中国既是世界拱坝大国,又是世界拱坝强国。     

论混凝土拱坝有限元等效应力

有限元法计算功能很强,但由于应力集中,难以直接用于混凝土拱坝体形设计,本文首先说明采用笔者提出的有限元等效应力可以解决这一矛盾,然后给出它的计算方法和计算结果,最后说明有限元等效应力的控制标准。笔者提出的上述方法和控制准则已为我国《混凝土拱坝设计规范》( DL/T 5346-2006 )所采用。     

混凝土坝安全评估的有限元全程仿真与强度递减法

文献[1,2]中首先提出了混凝土坝安全评估的有限元全程仿真与强度递减法,简称SR方法。笔者将进一步系统地阐述SR方法的基本原理、合理性和良好应用前景。首先指出混凝土坝安全评估必须满足的3个基本原则,即荷载与应力状态符合实际、材料破坏准则和本构关系符合实际,以及强度参数符合实际,SR方法可以完全满足这3个原则。然后指出,SR方法可以实现混凝土坝安全评估的6个统一,即:应力分析和稳定分析方法的统一;拉、压、剪等各种破坏形式分析的统一;坝体分析和基础分析的统一;正分析与反分析的统一;施工期分析与运行期分析的统一;设计、施工、运行各阶段评估方法的统一。采用SR方法对混凝土坝进行安全评估,有可能避免许多混凝土坝事故,提高坝的安全度,具有良好的应用前景。     

当前混凝土坝建设中的几个问题

本文就混凝土坝建设中的几个问题进行讨论,指出大坝安全是混凝土高坝的关键问题,分析了混凝土坝的破坏条件和安全系数的取值。指出由于样本太少,可靠度理论应用于混凝土坝设计无实际意义。指出了拱梁分载法的固有缺点,包括计算基础变形的Vogt系数过于粗糙,不能计算库水影响及施工过程的影响等。提出了改进混凝土坝安全评估的方法,对于一般的拱坝和重力坝,可采用有限元等效应力法,对于重要工程应进行全坝全过程有限元仿真分析。建议研究混凝土长期持荷强度和混凝土振捣密实度无损检测方法。指出通过全面温控、长期保温,可结束“无坝不裂"的历史。     

混凝土坝运行期安全评估与全坝全过程有限元仿真分析

混凝土坝仪器观测提供的变位、温度、扬压力等资料,对于监控大坝工作状态是有用的,但它们不能给出大坝安全系数.混凝土坝实际应力场十分复杂,应变计测点太少,即使应变观测资料全部有效,也不能给出坝体应力场全貌和安全系数,何况由于种种原因,应变计观测资料实际可利用率并不高.在运行期,每隔一定时间需对坝体进行一次安全评估,目前主要采用设计规范中规定的计算方法求安全系数,如材料力学方法、拱梁分载法、刚体极限平衡法等,这些都是七八十年以前的老方法,施工期和运行期所积累的丰富资料在计算中难以反映,建议采用全坝全过程有限元仿真方法计算运行期坝体安全系数,可以较好地反映混凝土坝实际安全状态.     

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。     

当前混凝土高拱坝抗震研究中的几个问题

综述能对坝基、坝身与库水综合分析的简单实用方法,合理的高拱坝抗震安全评价准则,混凝土材料强度的动力特性,坝址河谷地震动的输入模型,抗震工程措施等高拱坝抗震研究中亟待解决的问题和难点.在分析高拱坝抗震研究最新进展的基础上,提出进一步完善用动力分析技术研究坝、水、地基综合系统的地震响应、更新抗震设防理念、建立不均匀地震动模型、加强抗震工程措施的有效性研究等建议.     

Nonlinear simulation of arch dam cracking with mixed finite element method

This paper proposes a new, simple and efficient method for nonlinear simulation of arch dam cracking from the construction period to the operation period, which takes into account the arch dam construction process and temperature loads. In the calculation mesh, the contact surface of pair nodes is located at places on the arch dam where cracking is possible. A new effective iterative method, the mixed finite element method for friction-contact problems, is improved and used for nonlinear simulation of the cracking process. The forces acting on the structure are divided into two parts： external forces and contact forces. The displacement of the structure is chosen as the basic variable and the nodal contact force in the possible contact region of the local coordinate system is chosen as the iterative variable, so that the nonlinear iterative process is only limited within the possible contact surface and is much more economical. This method was used to simulate the cracking process of the Shuanghe Arch Dam in Southwest China. In order to prove the validity and accuracy of this method and to study the effect of thermal stress on arch dam cracking, three schemes were designed for calculation. Numerical results agree with actual measured data, proving that it is feasible to use this method to simulate the entire process of nonlinear arch dam cracking.     

特高拱坝温度应力仿真与温度控制的几个问题探讨

特高拱坝由于底宽大、岸坡陡,故采用通仓浇筑时施工期的温度控制难度大。特高拱坝的温度场和温度应力有如下几个特点:(1)约束面长且约束强,在二期水冷时约束区会存在上下两个约束面;(2)最低温度出现在封拱灌浆水冷终了时,此时也是拉应力最大的时刻,因此二次水冷是温度控制的关键时刻;(3)陡坡坝段应力大,温控难度大。结合如上特点,以小湾、溪洛渡两座拱坝为例,通过仿真分析结果,讨论施工期温度场、应力场仿真分析的基本要求,及温度控制中需注意的几个关键问题。结论认为:(1)除强约束区很容易出现裂缝要特别注意外,非约束区同样要严格进行温度控制;(2)二期冷却前或过冬前要进行一次大范围中期冷却,以降低二期水冷的降温幅度,同时要严格控制降温速率;(3)冷却区高度要大于2个灌区高度或0.3~0.4L;(4)应以精细仿真分析的结果作为特高拱坝温度控制的依据,如有条件应进行全坝仿真,无条件时则须以3个以上坝段为对象进行仿真分析。