拱坝三维非线性有限元分析及整体安全度评价——以杨房沟水电站为例

采用三维非线性有限元法,模拟了杨房沟拱坝坝体、坝基岩体及主要断层结构面,对坝体进行了位移应力分析,并结合三维极限平衡法分析,对坝肩关键性的可能滑动块体进行了有限元法抗滑稳定分析,论证了两岸关键性的滑块抗滑稳定安全系数均满足设计要求。超载法计算分析成果表明,杨房沟拱坝起裂超载系数在1.6左右,拱坝强度超载系数为4.5~5.0,与国内同等规模拱坝水平相当。在地震作用下,拱坝变形和应力与国内同等工程相类似,坝肩可能滑动块体抗震稳定性满足要求。综上所述,杨房沟高拱坝在正常工况、超载工况及地震工况下均具有较好的整体安全性。     

杨房沟水电站拱坝体形多目标优化设计

在充分认识杨房沟坝址地形、地质条件和工程特点,吸收前阶段研究成果和历次审查咨询会议意见的基础上,在总承包合同相关条款的约束下,采用多种计算分析手段和方法,对杨房沟拱坝建基面及体形开展了多目标优化设计研究工作。在优化设计工作中,从安全性、稳定性、经济性等三方面进行了定量和定性综合分析评价。分析结果表明:优化方案能充分利用坝基岩体条件,减小拱坝所承受的水推力,充分发挥混凝土优良的抗压性能,减小主要工况高拉应力值及其分布范围,进一步提高了拱坝-基础整体安全度、坝肩抗滑稳定性和抗震安全性,达到安全、经济、施工和运行方便的目的。相关优化方法与成果可为后续高拱坝体形多目标优化设计提供借鉴。     

特高拱坝建基面选择研究

建基面选择直接影响拱坝体形、水推力和工程量,是关系拱坝安全性、工期和工程投资的关键问题。结合新疆某特高拱坝工程,根据建基面选择基本原则,针对拟定的建基面方案分别从拱端嵌深、拱坝体形几何参数、坝体应力、坝肩稳定和基础处理等方面进行全面分析比较,最终确定推荐建基面方案。建基面选择的方法可为今后特高拱坝建基面选择提供参考。     

基于新抗震规范的杨房沟高拱坝抗震安全分析与评价

杨房沟水电站混凝土双曲拱坝最大坝高155 m,抗震设防类别为甲类,根据现行的抗震设计规范的规定进行坝址区场地相关设计反应谱和人工地震动时程研究,对施工图阶段优化后的拱坝体形进行考虑坝体横缝强震开合和无限地基辐射阻尼效应的三维非线性有限元分析研究,并对拱坝坝肩潜在滑动块体采用基于振型分解反应谱法的刚体极限平衡法和基于时程分析法的时域刚体极限平衡法进行动力稳定性复核。最后对杨房沟拱坝抗震安全进行综合评价,可知在设计地震作用下,施工图阶段杨房沟拱坝优化体形的抗震安全可靠。     

某混凝土双曲拱坝建基面选择研究

拱坝建基面选择主要决定于坝基岩体的承载力和滑动稳定性。本工程基岩裸露,岩体呈整体块状结构,强度高,但坝基范围内岩体岩性不一致,导致基岩强度不同。根据地形地质条件,对拱坝建基面的可利用岩体进行多方案论证研究,同时对坝体应力、坝肩稳定、整体稳定等进行大量分析及模型试验,最终确定合理经济的坝体建基面。     

杨房沟拱坝坝基综合变形模量分析

采用大型商用软件ANSYS,对杨房沟拱坝可行性研究阶段建基面,模拟各特征高程坝基的风化卸荷分区、主要断层结构面以及坝基开挖,输入相应的变形模量地质建议值,然后在拱端施加单位荷载进行平面有限元计算,得出各特征高程的综合变形模量。该方法较为真实的反映了杨房沟拱坝坝基的实际情况,与粗略的伏格特地基模型相比,是一大进步。     

杨房沟水电站拱坝-基础整体地质力学模型试验研究

随着试验技术的发展,地质力学模型试验已成为研究高拱坝整体稳定性和安全度的重要方法。依据相似理论,按照1∶200比例建立杨房沟水电站整体三维地质力学模型,模拟拱坝-基础及两岸主要的断层、节理裂隙及风化卸荷等地质条件,采用水压超载法进行破坏试验研究,分析拱坝、基础及两岸坝肩抗力体的应力、变形和稳定安全度,研究拱坝-基础整体稳定性、失稳破坏过程及超载能力,并与国内同类高拱坝研究成果进行对比分析,综合评价杨房沟拱坝-基础整体稳定安全度。研究结果表明,拱坝起裂安全度K1=2.5~3.0,非线性开始安全度K2=4.0~6.0,整体稳定极限安全度K3=11.0。可见,杨房沟水电站拱坝-基础整体稳定性较高。     

杨房沟拱坝的动力响应分析

强震区的杨房沟拱坝的抗震安全问题为众多研究者所关注。本文用拉格朗日不连续变形分析（LDDA）模拟拱坝横缝,采用黏弹性边界作为吸能边界来模拟无限地基辐射阻尼,建立了拱坝地震自由场输入模型,进行了杨房沟拱坝动力响应分析,对辐射阻尼和拱坝横缝对坝体应力的影响、拱坝横缝在地震作用下的张开情况以及坝体静动综合应力进行了分析,得出了如下结论,考虑坝体横缝张开和地基辐射阻尼效应影响后,杨房沟拱坝的地震动力响应明显降低,大坝横缝张开度最大为6mm,在横缝止水可允许的变形范围之内,在进一步优化大坝体型基础上,杨房沟拱坝在设计地震作用下的抗震安全是可以保证的。     

三里坪水电站碾压混凝土双曲拱坝设计

针对三里坪大坝复杂的坝基地质条件,选择了合理的拱坝建基面和体形设计方案。通过综合比较3种拱形的安全性和工程量,确定了对数螺旋型双曲拱坝作为大坝拱形。根据坝体应力分析结果对坝体混凝土进行了分区。为了保证拱坝坝肩的抗滑稳定性,并满足拱坝的变形要求,采取了抗剪洞和置换洞等综合措施进行处理。三维非线性分析表明,处理后的大坝整体安全度有较大提高,运行安全得到保障。     

高拱坝沿建基面的破坏和安全度研究

拱坝沿建基面的破坏和安全度是坝工界近年来十分关注的问题，有关拱坝沿建基面破坏的可能性和安全度的分析，目前还没有比较一致的看法。从理论上研究拱坝拱圈沿建基面的完全性，其结论为：影响拱坝沿建基面安全性最重要的因素是建基面材料的磨擦系数、岸坡角和拱圈中心角，其次是拱坝的高度和拱圈的位置，河谷宽度的影响最小。以小湾拱坝为对象，采用建立在非线性数值分析基础上的变形体稳定性分析方法和地质力学模型试验，对其沿建基面的整体安全度进行的研究表明，其整体稳定安全度在4.0-4.5左右，而且，根据建其面和坝体的破坏形态和发展过程可以看出，小湾拱坝只有在坝体发生破坏的同时，拱坝才会沿建基面滑移。     

我国特高拱坝的建设成就与技术发展综述

结合二滩、溪洛渡、锦屏一级、大岗山、小湾等一系列特高拱坝的建设实践,总结了我国特高拱坝的建设成就,阐述了我国特高拱坝建设关键技术的研究进展,包括建基面的研究与确定、体形优化设计、应力分析与强度设计、拱座抗滑稳定、整体稳定、抗震设计、混凝土材料、混凝土温控防裂、基础处理、施工技术等10个方面的内容。认为我国混凝土拱坝建设技术已处于国际领先水平,指出我国特高拱坝建设需深化研究的4个问题,即特高拱坝安全评价体系建设、特高拱坝风险设计、特高拱坝抗震研究以及特高拱坝安全运行健康诊断技术研究。     

小湾非整体拱坝的抗震稳定性数值仿真试验研究

针对高拱坝抗震稳定性分析中坝体收缩横缝、坝肩节理裂隙岩体的接触非线性问题,本文研制开发了三维动态接触单元和用于动力非线性分析的修正中心差分法程序,对在建的小湾300m级高拱坝—坝基体系进行了三维动力非线性数值仿真分析。通过数值分析,研究了小湾高拱坝非线性特性及其对坝体抗震稳定性的影响,进而对高拱坝抗震稳定性有了进一步的认识。     

溪洛渡拱坝设计综述

溪洛渡拱坝的工程规模和技术难度均超出了现行拱坝设计规范的控制。为此，在可行性研究阶段，立足现有技术水平，借鉴国内外成功经验和最新研究成果，以规范为基础，佐以现代仿真分析和模型试验，结合工程类比，对溪洛渡拱坝建基面与拱坝体形、应力分析与设计强度、抗滑稳定与整体稳定、抗震分析与评价、温度控制、基础处理等进行了研究分析，使拱坝设计最终达到安全可靠、技术可行、经济合理。     

Analysis of working behavior of Jinping-I Arch Dam during initial impoundment

To study the stress, deformation, and seepage pressure during the initial impoundment of the Jinping-I Arch Dam, monitoring analysis and numerical calculation were used in a dam behavior analysis that focused on the working behavior of the dam during the late period of the initial impoundment up to the end of November 2014. The numerical calculation was performed based on feedback analysis of the deformation and stress of the arch dam through inversion of the elastic moduli(E) of the dam body and foundation, using a three-dimensional finite element model for the linear elastic material of the arch dam. The main monitoring indices presented insignificant changes in the late period of the initial impoundment, and the results of feedback analysis were consistent with monitoring results. Analysis results also show that the deformations of the dam body and dam foundation were within the design range; the dam stress distributions were normal, with values lower than the design control criteria; and the seepage flows through the dam body and dam foundation were lower than the design drainage capacity of the deep-well pump house, demonstrating that the Jinping-I Arch Dam was in good working condition, and the initial impoundment had been successfully completed. The results of the working behavior analysis of the Jinping-I hydropower project during the initial impoundment can provide references for safe operation of similar projects.     

拱坝对近坝肩导流洞结构衬砌的影响研究

为了更加深入准确的研究靠近拱坝坝肩导流洞的真实受力情况,使导流洞在施工期安全运行,研究分析了拱坝对靠近坝肩导流洞的影响。采用Ansys有限元分析法,建立拱坝和导流洞整体有限元模型,分析在自重,自重加静水情况下拱坝对导流洞产生的附加应力,为隧洞衬砌配筋提供依据。计算结果表明:拱坝对导流洞靠近坝肩部位产生的附加应力不容忽视,坝肩岩体灌浆对减小附加应力有一定作用。研究成果可为近拱坝坝肩导流洞的设计和施工提供参考。     

破碎岩体上混凝土重力拱坝的设计要点分析

由于巴基斯坦高摩赞大坝坝址地质条件复杂,岩体破碎,天然条件下不满足修建混凝土坝的地基条件。以现场勘查和试验为基础,采用大范围大深度的固结灌浆处理方案。结合生产性灌浆试验,采用声波测试结合承压板载荷试验,验证固结灌浆对提高坝基变形模量的效果,并采用固结灌浆处理后的岩体物理力学参数对大坝进行了有限元分析。在多方论证的基础上,经过对大坝体型和结构的精心设计,在十分破碎的岩体条件下,成功建成了133 m高的混凝土重力拱坝。研究成果为国外混凝土重力拱坝的设计提供参考。     

天花板水电站拱坝建基面选择及优化调整研究

天花板水电站拱坝建基面高程的确定在设计的不同阶段都是设计研究的关键问题.在施工过程中,随着坝肩、坝基不断开挖的揭露和岩体试验,对坝基地质情况会有新的认识和研究.天花板拱坝施工中,设计单位为进一步节省工程投资和缩短工期,对拱坝建基面能否抬高开展了大量的坝基试验测试和坝体应力计算等分析论证工作,最终将建基面抬高了6.0 m,不但取得了较好的工程效益,还积累了拱坝设计的一些经验.     

黄花寨水电站碾压混凝土拱坝设计

介绍了黄花寨水电站碾压混凝土拱坝（坝高110m）枢纽布置、坝体优化、拱坝结构设计、拱坝仿真分析以及基础处理等设计内容。黄花寨水电站碾压混凝土拱坝通过体形优化,在应力分布合理、坝肩稳定的条件下减小了大坝体积,节省了投资;根据仿真分析的结果提出了简单合理的分缝及温控措施,有利于大坝快速碾压．节省了工程建设工期及投资。该大坝是国内第1座坝高超100m全部采用外掺MgO碾压混凝土筑坝技术的拱坝,在材料质量控制及混凝土配合比设计上具有借鉴作用。