（水利工程专业论文）青溪水电站大坝安全复核.pdf

论文摘要 论文结合广东省青溪水电站拦河大坝工程，回顾了混凝土大坝安全及其复核验算的 发展历史，分别利用现行规范和有限元方法对大坝的设计洪水标准、洪水位、坝顶高程、 溢流坝泄水能力、坝基处理、稳定与应力、大坝观测系统等方面进行计算分析，得出大 坝安全总体评价的结论。 通过对照原设计资料和大坝原型观测资料，校核大坝现在洪水标准、坝顶高程是否 符合现行规范的要求；校核目前溢流坝段宣泄洪水的能力；对照竣工地质资料和观测资 料分析大坝与坝基的地质力学参数状况。 运用现行规范，采用概率极限状态设计原则，以分项系数极限状态设计表达式进 行计算，即以可靠度指标度量结构的可靠度，以分项系数极限状态设计法，计算复核了 广东青溪水电站大坝1 5 个坝段的应力和稳定状况，并且利用大坝多年观测的扬压力统 计实际数据，计算分析了当前大坝的安全程度。 利用s u p e rs a p 软件对1 2 号和1 5 号坝段进行有限元分析，对于出现裂缝的部位和 施加预应力锚索的部位通过复杂模型的建立和有限单元过渡等方法，较为精确地分析了 大坝的应力和位移情况；分析了1 5 号坝段裂缝产生部位的裂缝受力状况。 通过计算分析，对于青溪水电站大坝在总体安全性能上得出明确的结论认为：大坝 工作性态总体上是正常的，满足现行规范的要求。但部分坝段坝基扬压力系数超过规范 参考值，且部分坝段局部出现拉应力现象，建议对相关部位加强监测以便及时掌握大坝 的安全状态，确保大坝的运行安全。 关键词：青溪水电站大坝、有限单元法、应力与稳定、安全评价 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fd a m ss a f e t ya n dc h e c k i n gs y n t h e t i c a l l yi nt h ew o r l di ss i m p l y i n t r o d u c e di nt h et h e s i s a tt h es a n l et i m e ，c o m b i n i n gw i t hp r a c t i c a lp r o j e c te n t r u s t e db y g u a n g d o n gq i n g x iw a t e r p o w e rs t a t i o n ，c o n f o r m i n gt op r e s e n tc r i t e r i aa n df i n i t e e l e m e n t t e c h n i q u e ，t h ec o n c l u s i o no f d a m ss a f e t yc h e c k i n gi se d u c e db yc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n g t h ed e s i g ns t a n d a r d ，f l o o dl e v e l ，c r e s te l e v a t i o n ，d i s c h a r g ec a p a c i t yo fo v e r f l o w d a m ，d i s p o s a l o f d a mf o u n d a t i o n ，s t a b i l i z a t i o na n ds t r e s s ，a n dd a m m o n i t o r i n gs y s t e m b yc o n t r a s t i n gd e s i g na n do b s e r v a t i o nd a t a , i ti sc a l c u l a t e da n dc h e c k e di nt h et h e s i s w h e t h e rt h ed a mf l o o ds t a n d a r da n dc r e s te l e v a t i o na c c o r d 、 r i t hp r e s e n tr e g u l a t i o n s w h e t h e r t h ed i s c h a r g ec a p a c i t yi s h i g he n o u g ht o m e e tt h ed e m a n do ff l o o dd i s c h a r g e i ti sa l s o a n a l y z e dt h a tt h es t a t u so f m e c h a n i c a lp a r a m e t e ro fd a mf o u n d a t i o nr e f e r r i n gt og e o l o g i c a l d a t aa f t e rc o m p l e t i o na n d m o n i t o r i n gd a t a i nt h i st h e s i st h es t r e s sa n ds t a b i l i z a t i o no f1 5d a m ss e c t i o n sa r ec a l c u l a t e d b y c o n f o r m i n g t op r e s e n tr e g u l a t i o n s i ta d o p t st h ed e s i g ns t a n d a r do f p r o b a b i l i t y l i m i ta n a l y s i s ， a n du t i l i z e st h ed e s i g nm e t h o do fs u b d i v i s i o n a lc o e f f i c i e n tl i m i ti n s t e a do ft h ef o r m e rd e s i g n m e t h o do fs i n g l e s a f e t yc o e f f i c i e n t ，b yt h em e a n so fr e l i a b i l i t yi n d e xt o e s t i m a t et h e s t a b i l i z a t i o n u t i l i z i n gt h em e a na n n u a la c t u a ls t a t i s t i c a l d a t ao fd a mu p l i f t p r e s s u r e ，t h e a n a l y s i so n t h ep r e s e n ts t a t u so f d a m s a f e t yi sd o n e s o f t w a r es u p e r - s a pi su s e dw h e n a n a l y z i n gd a m s e c t i o n1 2 # a n d1 5 # f o rs o m e p a r t s w h e r ec m c k so c c u r r e do rh a dp r e s t r e s s e da n c h o r a g e ，b yf o u n d i n gc o m p l i c a t e dm o d e l sa n d u s i n g m e t h o do ft r a n s i t i o nf i n i t ee l e m e n t ，t h et h e s i sr e l a t i v e a c c u r a t e l ya n a l y z e dt h es t a t u so f d a ms t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t d a ms e c t i o n1 5 # i ss e l e c t e da st y p i c a ls e c t i o nt oa n a l y z et h e s t r e s s i n gs t a t u so f c r a c k s t h r o u g h c a l c u l a t i o na n d a n a l y s i s ，i tm a y c o m et oac o n c l u s i o nu p o nd a m ss a f e t yt h a t t h er u n n i n gs t a t u so fd a mi sn o r m a la saw h o l e ，a n di tc a nm e e tt h ed e m a n do f p r e s e n t r e g u l a t i o n s w h i l e ，i tm u s tb em e n t i o n e dt h a tt h ec o e f f i c i e n t so fu p l i f tp r e s s u r eo fs o m e d a m ss e c t i o n se x c e e dt h er e f e r e n c ev a l u eg i v e nb yr e g u l a t i o n s ，a n dt e n s i l es t r e s so c c u r si n s o m ed a m ss e c t i o n s i ti ss u g g e s t e dt h a tt h em o n i t o r i n gw o r ko ns o m ek e y p a r t ss h o u l db e s t r e n g t h e n e di no r d e r t oc o n t r o lt l l es t a t u so fd a m s a f e t yi nt i m e k e yw o r d s ：d a mo fq i n g x iw a t e r p o w e rs t a t i o n ，f e m ，s t a b i l i z a t i o na n ds t r e s s ，s a f e t y a s s e s s m e n t 第一章前言 第一章前言 1 1 大坝安全概述 经过一百年大坝实践，据统计世界大坝溃坝率已从2 0 世纪初的4 1 0 降至2 0 世纪末的约0 2 ( 或小于) ，而从坝的可靠度设计理论可控制其失效概率在0 0 1 以下， 可见两者的差距很大，说明目前大坝的实际安全度还应设法提高。在完善大坝设计中， 还要注意对大坝可能出现的风险因素进行深入论证，同时还应做好风险管理以及为预防 产生风险做好大坝安全监测工作。我国坝工建设已有约3 0 0 0 年历史，但现代大坝从十 九末叶或二十初才逐渐兴起。从近百年来已建成大坝的实际情况和统计资料说明世界及 我国大坝安全状况：溃坝率从二十初的4 已降低至二十末的约0 2 以下。通过百年努 力，由于设计、施工、运行管理技术的提高，溃坝率已有长足的降低，但溃坝率o 2 仍是相当惊人的。为了提高坝的安全度简单地提高大坝设计的安全系数是无济于事的。 近年来各种工业民用建筑已逐渐推行了可靠度设计，要求达到的可靠指标b 值应在 4 2 3 2 之间，这样其失效概率一般应在( 3 1 0 ) x1 0 一。此值比前述溃坝率0 2 还有很大差距( 小数十倍) 。这说明推行可靠度设计以后可规范工程在设计时应该达到 的可靠度指标，使工程设计趋于完善。从目前大坝溃坝或失事率看，大坝的安全还有待 进一步提高，还应从各工程的特殊情况或途径考虑。据查考，过去大坝溃决或失事大多 由于各工程特殊原因造成，主要有：( 1 ) 洪水漫坝，或由于超标准洪水，或由于泄洪设 施突然失控； ( 2 ) 坝体质量及基础问题；( 3 ) 其他管理等问题。当今投资兴建工程，往 往要求进行风险分析，对大坝中可能出现的风险因素进行分析论证，在技术上和经济上 进行风险评估为工程决策者提供依据，同时对有关风险提出抑制措施或对策。 1 1 1 国内外大坝安全状况 我国坝工建设发展较快，迄今己建8 万余座，其中包括高、中、低坝，大部分质 量较好，但也有一些质量较差的病坝或险坝，一些老坝年久失修，已开始老化。建坝后 下游工农业发展，人口增加，供水发电效益显著，但由于种种原因，坝的溃决( 特别是 中小坝) 时有发生，溃坝后果特别严重，主要反映在两个方面：( 1 ) 巨大的防洪、供水、 发电效益毁于一旦；( 2 ) 对下游人民的生命财产及国民经济造成极大损失。迄至1 9 8 0 年统计，我国总溃坝率高达3 左右，但3 2 6 座大型水库中仅2 座失事，其溃坝率亦达 0 6 ，而中小型溃坝较多，约在4 左右。这些中小型坝绝大部分都在大跃进年代中修 建，工程规模较小，施工质量差，且管理不善。 河海人学工程硕士论文青溪水电站：= 坝安全复核 国外大坝情况，1 9 6 7 年n v s c h n i t t e r 统计，美国1 9 0 0 1 9 5 9 年6 0 年中建 坝共1 6 5 0 座，垮坝3 0 座，占1 8 。其中1 9 0 0 1 9 1 0 年占9 ，以后逐年减少，到1 9 5 0 1 9 5 9 年已降为0 4 。据1 9 8 2 年第l4 届世界大坝会议报道认为世界大坝溃坝率1 9 0 0 年以前一般大于4 ，到1 9 0 0 年曾一度大于1 0 ，以后逐渐减少，迄至1 9 8 0 年只有约 0 2 。从以上看溃坝率还是很高的。影响大坝安全的因素很多，据国际大坝会议“关 于水坝和水库恶化”小组委员会记录的1 1 0 0 座大坝失事实例，从1 9 5 0 年至1 9 7 5 年大 坝失事的概率和成因分析中得出大坝失事的频率和成因分别为：3 0 是由于设计洪水位 偏低和泄洪设备失灵引起洪水漫顶而失事；2 7 是由于地质条件复杂，基础失稳和意外 结构事故；2 0 是由于地下渗漏引起扬压力过高、渗流量增大、渗透坡降过大引起；1 1 是由于大坝老化、建筑材料变质( 开裂、侵蚀和风化) 以及施工质量等原因：1 2 是不同 的特有原因所致。 据我国统计总溃坝中因洪水漫坝的约占一半，因坝体及地基等质量问题的约占 4 0 ，管理及其他方面的占l o 。从国外资料分析，各家观点不一，总的认为以基础原 因或以洪水过大而失事居多。本文不拟在溃坝的数量及原因上多加阐述，只是说明国内 外已建成大坝的失事率还很高，应设法改善。 大坝溃坝统计材料较少，不易精确统计。从以上初略统计资料看，按不同地区统计 出入很大，但总的趋势相近，故可以这样认为，溃坝率从世界宏观看，已从二十世纪初 的4 1 0 ，至二十世纪末已降到0 2 或以下。经过这1 0 0 年溃坝率已降低很多，但 0 2 还是较大的比率。 1 1 2 大坝设计 世界坝工历史悠久，但据称第一座按照极粗浅的稳定和应力要求设计的高6 0 m 的丹 佛重力坝仅开始于百余年前。l9 世纪末叶波特兰水泥问世以后才正式出现了混凝土坝 和以水泥为胶凝材料的浆砌石坝，而近5 0 m 高的土石坝亦开始于l9 世纪末叶。由于坝 工及其他工程的长期实践，人们的认识逐渐提高。二十世纪开始，材料力学、结构力学、 水力学、土壤力学以及坝工学等逐渐兴起，坝的设计及施工才慢慢地趋于完善。可以认 为现代大坝的设计及施工主要是在最近一个世纪内进行的。通过精心设计，大坝结构逐 渐趋于完善，坝的安全也逐渐得到改善。正如前节中所述，此期间大坝的溃坝率已从世 纪初的4 降至世纪术的0 2 以下。大坝安全虽然已取得了明显的改善，但溃坝率仍相 当高。由于溃坝影响太大，故溃坝率还应尽量降低。当然主观愿望希望能建一座绝不会 垮的坝，但从统计原理，其可靠指标不能达到1 0 0 ，只能做到9 9 9 9 或9 9 9 9 9 等， 第一章前言 相应地失效概率为o 0 1 到o 0 0 1 。到底多少为合理，就要改变过去安全系数设计方 法为可靠度设计方法。我国己颁布了工程结构可靠度设计统一标准，工民建等方面 已按这个标准实行。水利水电方面亦已颁柿了水利水电工程结构可靠度设计统一标 准，同时还相应地颁发了钢筋混凝土及重力坝等规范。其设计可靠指标b 值对i 、 i i 、级坝规定为4 2 、3 7 和3 2 ，亦即可靠指标为9 9 9 9 至9 9 9 9 7 ，失效概率 相应为( 3 1 0 ) x1 0 。这说明仅仅从结构设计，从荷载( 作用) 和材料强度( 抗力) 变异性( 或不均匀性) 及其他不定因素经统计分析可能出现的失效概率，至于施工、运 行中出现的异常情况尚无法估计在内。目前推行的可靠度设计还是一种渐近的和近似的 以分项系数为实用方法的设计。除前述作用及材料系数可以通过统计分析确定外，其余 结构系数、结构重要性系数、结构状况系数凭经验按1 2 1 3 及1 1 o 9 来选定。 这种可靠度设计虽还不够完善，但朝正确地选定工程的可靠度方面向前进了一步。 1 1 3 风险分析 当今投资兴建工程，往往除设计外还要求进行风险分析，对可能出现的风险在技 术上和经济上( 甚至包括政治、社会等方面) 进行评估。现主要就工程技术方面的风险 进行简单论述。如前面所述，我国中小坝溃决较多，有时每年多至数座，而从世界范围 看每年约有一起到几起严重的大坝事故。究其原因，或由于洪水漫坝，或由于基础失稳， 或由于大坝质量，或由于其他管理因素，故在大坝设计时应抓住其主要风险因素进行分 析。由于大坝枢纽工程首先应对水文地质情况，大坝、厂房、输泄水设施以及机电设施 等进行风险识别，明确主要风险因素，对主要的风险提出抑制或处理措施。对风险发生 的可能性和产生的后果要进行分析论证。通过风险分析发现的主要风险，或设计存在的 主要问题，如：( 1 ) 当发现某工程水文、洪水复杂，对某工程可能是关键( 或称风险) 因素，就应在设计中补充阐述，必要时进行p m f 或其他有效分析并采取必要的工程措 施；( 2 ) 如地震作用是关键，就应进行地震危险性分析以确定地震加速度等参数。必要 时对地震风险进行破坏分析或模型试验，以确定地震时可能出现的破坏情况；( 3 ) 如发 现风险可能来自闸门未能及时启闭，就应增设或加强电源的可靠性或其他临时非常的启 闭办法；( 4 ) 如发现地基存在缺陷，可能成为运行中的隐患，应尽量提出加固措施或其 他大坝安全监测及预警等措施。以上对各种风险从技术上进行分析，采取抑制、减免等 技术措施。此外，必要时还应对风险一旦出现后带来的损失进行估算。如遇超标准洪水 漫坝导致大坝溃决，视工程的重要性应对大坝溃决后对下游造成的淹没范围和经济损失 河海大学工程硕士论文青溪水电站人坝安全复核 进行溃坝计算和分析。从大坝及泄洪工程的型式、结构等进行综合论证。如为了减少大 坝漫溢造成的风险，采用混凝土坝较土石坝更为有利。其他如地震等自然灾害，战争等 特殊灾害，以及常易出现的火灾等亦应予以考虑。以上风险经考虑论证后，在工程上采 耿切实有效的措施使风险出现的可能性尽量减小，并对其影响范围予以限制。除在工程 上采用技术措施对风险的出现予以有效的抑制外，也可采取近代工程风险的管理办法， 使不利风险得以回避、抑制、转移，必要时可采用保险等经济措施，在风险发生后能够 得到补偿。 1 1 - 4 提高大坝安全 国内外溃坝率已从二十世纪初的高峰降至目前的0 2 左右或稍低，百年来大坝的 安全已大有改进，但目前大坝安全还有待进一步提高。从大坝可靠度分析，以作用及抗 力等的不定性分析，大坝失效概率应在0 0 0 3 0 0 1 ，较上述o 2 小得多，说明大 坝的安全尚有潜力。如前所述，大坝设计逐步向可靠度设计过渡，同时应对工程存在的 风险隐患给予高度重视，这对提高大坝安全是有益的。现对提高大坝安全提出以下建议： ( 1 ) 完善坝的设计和施工。简单地提高大坝的安全系数，并不一定能达到提高大坝 安全的目的。安全系数过高或过低都是不妥的。可靠度设计通过作用和抗力的不均匀性 及其他不定因素，以统计概率理论进行计算，要求满足一定的可靠度指标，这样确定的 大坝可靠度是较为合适的。要重视地质勘测、水文气象及规划设计工作。合理选定作用 及抗力的各种参数，对可能对大坝构成风险隐患的地方，在设计中应给予特别重视，进 行专门分析和论证，如洪水的峰和量，大坝枢纽的调洪泄洪能力，大坝及各种建筑物抗 御各种自然及特殊灾害的能力以及大坝地基抗滑抗渗稳定等等。总之各种风险均应在设 计中认真进行研究并提出对策，在大坝设计中排除各种风险的产生是十分重要的。一个 好的设计还必须有一个好的施工质量来保证。目前设计施工中对材料抗力的选择和控制 都是遵循统计概率理论，以离差系数c v 和保证率p 为判定标准，故设计施工必须配套。 ( 2 ) 做好大坝管理。施工及运行期间管理都十分重要，一个好的施工管理，对工程 的影响极大，往往会建造成一座高质量的大坝。需要提出的是施工期间对工程各种质量 检查和大坝监测的观测十分重要，特别是大坝蓄水前的观测初始值尤为重要。这些资料 对今后大坝的查考、分析和研究是非常重要的，甚至对大坝的安危也是至关重要的。 近年来对现代大坝提出要进行风险管理。即针对工程施工及运行过程中可能出现 的各种风险进行识别、研究、评估和处理。对风险的可能性和产生的后果进行综合评价。 第一章前言 不仅要在技术上提出措施，在财务上亦应提出对策，如确定投保范围和限额等。做好各 种大坝管理和风险管理有助于大坝安全。 ( 3 ) 加强大坝安全监测。要按照规定经常对大坝安全进行监测，定期进行安全检查 和鉴定。对观测资料及时进行整理和分析。大坝监测具有长期性、连续性，必须持之以 恒，同时它还具有一定的特殊性和突发性等。故大坝观测资料整理分析必须及时，发现 异常情况必须及时处理，否则会延误时机，酿成大祸。据悉国外有的工程，设有预警装 置，一旦观测分析知有险情，当即发出警报，必要时通知下游居民转移，这些经验值得 我们借鉴。近年来我国大坝原型观测进展较快，观测资料分析除统计模型外，在反分析 的基础上又发展了确定性模型，这样可以预测在今后高水位或其他特殊情况下大坝的性 态，以判断大坝的实际安全度。如发现异常迹象，可及时进行加固或处理，以保证大坝 安全。大坝的及时监测分析和及时维护处理对提高大坝安全具有重要的现实意义。 1 2 大坝安全复核 国家十分重视大坝安全复核，根据水电站大坝安全检查施行细则能源电 1 9 8 8 3 7 号、能源电 1 9 8 8 3 7 号水电站大坝安全检查施行细则、水电建设工程安全鉴定 规定电力工业部文电综 1 9 9 8 ) 2 1 9 号等强调大坝安全鉴定实行分级负责：大型水 库大坝和影响县城安全或坝高7 0 米以上的中小型水库大坝由省、自治区、直辖市水行 政主管部门组织鉴定；中型水库大坝和影响县城安全或坝高5 0 m 以上小型水库大坝由地 ( 市) 或以上水行政主管部门组织鉴定；坝高1 5 m 以上或库容1 0 0 x1 0 “ 1 1 以上的小型水 库大坝，由县或以上水行政主管部门组织鉴定；水利部直辖的水库大坝，由水利部或流 域机构组织鉴定。大坝管理单位及其主管部门必须对大坝按期进行安全鉴定。大坝建成 投入运行后，应在初次蓄水后的2 5 年内组织首次安全鉴定。运行期间的大坝，原则 上每隔6 1 0 年组织一次安全鉴定。运行中遭遇特大洪水、强烈地震、工程发生重大事 故或影响安全的异常现象后，应组织专门的安全鉴定。无正当理由不按期鉴定的，属违 章运行，导致大坝事故的，按水库大坝安全检查施行细则的有关规定处理。 安全评价报告主要包括以下各项： ( 1 ) 大坝洪水标准复核，包括水文和洪水调度计算的复核： ( 2 ) 大坝抗震复核，包括地震烈度和大坝抗震的复核； ( 3 ) 大坝质量分析评价，包括施工期和大坝现状质量分析； ( 4 ) 大坝结构稳定和渗流稳定分析，包括变形稳定分析： 河海大学工程硕士论文青溪水电站大坝安全复核 ( 5 ) 大坝运行情况分析，包括工程老化分析； ( 6 ) 大坝安全综合分析，提出大坝安全论证总报告。 大坝安全分类标准如下： 一类坝：实际抗御洪水标准达到部颁规范规定、大坝工作状态正常；工程无重大质 量问题，能按设计正常运行的坝。 二类坝：实际抗御洪水标准不低于部颁水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标 准，大坝工程状态正常，工程无重大质量问题，能按设计正常运行的坝。 三类坝：实际抗御洪水标准低于部颁水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标 准，或者工程存在较严重的质量问题影响大坝安全，不能正常运行的坝。 1 3 问题的提出及研究方法 1 3 1 问题的提出 本次论文安全复核是利用广东省梅州大埔青溪水电站实际工程进行研究，该水电站 运行l o 余年，没有进行详尽的安全鉴定，大坝一些坝段局部存在裂缝现象、溢流坝下 游有冲刷破坏、上游又修建莲花滩水电站，这些条件均是大坝运行的变化因素，具体大 坝安全性态能否满足高水位运行，水电厂自己没有数据上的说明，又由于颁布了新规范， 加上大坝积累了一些年份的安全监测资料，所以青溪水电厂希望通过通过计算分析，能 够比较明确大坝的安全运行情况，今后应该注意的问题。 1 3 2 研究方法 根据青溪水电厂青溪水电厂的要求和现场实际观察，决定主要采用以下技术路线进 行复核：( 1 ) 运用现行规范的方法演算大坝应力和稳定，用旧有规范设计的大坝能否满 足现行规范要求：( 2 ) 采用三维线弹性有限元法分析法来分析1 2 号和1 5 号坝段大坝应 力情况，分析裂缝的稳定性；( 3 ) 对照实际观测资料数据，分析目前大坝稳定应力情况。 需要计算内容多，包括：水力计算、稳定计算、应力计算、有限元分析等，工作量 也非常大，包括：应力稳定计算1 5 个坝段、有限元分析2 个坝段、裂缝分析、位移计 算分析、洪水标准复核、地质情况复核、观测资料分析、报告编写等内容。 1 4 有限元研究动态 本次安全复核难点部分为对1 2 号和1 5 号坝段的有限元分析，针对这种要求，了解 如下动态： 1 4 1 国际发展情况 国际上早在2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大 6 第一章前言 功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局( n a s a ) 在1 9 6 5 年委托美 国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析系统。该系统发展至今 已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在， 世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用 有限元分析软件，主要有德国的a s k a 、英国的p a f e c 、法国的s y s t u s 、美国的a b q u s 、 a d i n a 、a n s y s 、b e r s a f e 、b o s o r 、c o s m o s 、e l a s 、 i a r c 和s t a r d y n e 等公司的产品。当 今国际上f e a 方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征： ( 1 ) 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题 有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连 续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经 证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年 来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计 算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如当气流流过一个很高的铁塔时就会使 铁塔产生变形，而塔的变形又反过来影响到气流的流动，这就需要用固体力学和流体动 力学的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓“流固耦合”的问题。 ( 2 ) 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。例如建筑行业中的 高层建筑和大跨度悬索桥的出现，就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题 航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题；诸如塑 料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现，仅靠线性计算理论就不足阻解决遇到的问题， 只有采用非线性有限元算法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及 到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此近年来国外 一些公司花费了大量的人力和投资开发诸如m a r c 、a b q u s 和a d i n a 等专长于求解非线 性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的 非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。 ( 3 ) 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能 早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数 值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运 算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却同益突出。在现在的工程工作 站上，求解一个包含1 0 万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。但是如果用手工方式 来建立这个模型，然后再处理大量的计算结果则需用几周的时间。可以毫不夸张地说， 河海大学工程硕士论文青溪水电站大坝安全复核 工程师在分析计算一个工程问题时有8 0 以上的精力都花在数据准备和结果分析上。因 此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模 块。在强调“可视化”的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的g u i ( g r a p h i c su s e r i n t e r f a c e ) ，使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析 所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所 需数据的列表输出。 ( 4 ) 与c a d 软件的无缝集成 当今有限元分析系统的另一个特点是与通用c a d 软件的集成使用，即在用c a d 软件 完成部件和零件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符 合设计要求则重新进行造型和计算，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。 今天，工程师可以在集成的c a d 和f e a 软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复 杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的c a d 软件( 例 如p r o e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c s 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 、i d e a s 、b e n t l e y 和a u t o c a d 等) 的接口。 ( 5 ) 在w i n t e l 平台上的发展 早期的有限元分析软件基本上都是在大中型计算机( 主要是m a i n f r a m e ) 上开发和 运行的，后来又发展到以工程工作站( e w s ，e n g i n e e r i n gw o r k s t a t i o n ) 为平台，它们的共 同特点都是采用u n i x 操作系统。p c 机的出现使计算机的应用发生了根本性的变化，工 程师渴望在办公桌上完成复杂工程分析的梦想成为现实。但是早期的p c 机采用1 6 位 c p u 和d o s 操作系统，内存中的公共数据块受到限制，因此当时计算模型的规模不能超过 1 万阶方程。m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统和3 2 位的i n t e lp e n t i u m 处理器的推出为 将p c 机用于有限元分析提供了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上著名的有 限元程序研究和发展机构都纷纷将他们的软件移植到w i n t e l 平台上。下表列出了用 a d i n av 7 3 版在p c 机的w i n d o w sn t 环境和s g i 工作站上同时计算4 个工程实例所需 要的求解时间。从中可以看出最新高档p c 机的求解能力已和中低挡的e w s 不相上下。 为了将在大中型计算机和e w s 上开发的有限元程序移植到p c 机上，常常需要采用 h u m m i n g b i r d 公司的一个仿真软件e x c e e d 。这样做的结果比较麻烦，而且不能充分利用 p c 机的软硬件资源。所以最近有些公司，例如i d e a s 、a d i n a 和r & d 开始在w i n d o w s 平 台上开发有限元程序，称作“n a t i v ew i n d o w s ”版本，同时还有在p c 机上的l i n u x 操作 系统环境中开发的有限元程序包。 1 4 2 国内发展情况和前景 第一章前言 1 9 7 9 年美国的s a p 5 线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用 通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。这个高潮一直持续到1 9 8 1 年a d i n a 非线 性结构分析程序引进，一时间许多一直无法解决的工程难题都迎刃而解了。大家也都开 始认识到有限元分析程序的确是工程师应用计算机进行分析计算的重要工具。但是当时 限于国内大中型计算机很少，大约只有杭州汽轮机厂的s i e m e n s7 7 3 8 和沈阳鼓风机厂的 i b m4 3 1 0 安装有上述程序，所以用户算题非常不方便，而且费用昂贵。 p c 机的出现及其性能奇迹般的提高，为移植和发展p c 版本的有限元程序提供了必 要的运行平台。可以说国内f e a 软件的发展一直是围绕着p c 平台做文章。在国内开发 比较成功并拥有较多用户( 1 0 0 家以上) 的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系 的j i f e x 9 5 、北京大学力学与科学工程系的s a p 8 4 、中国农机科学研究院的m a s 5 0 和杭 州自动化技术研究院的m f e p 4 0 等。 但正如上面所述，国外很多著名的有限元分析公司已经从前些年对p c 平台不屑一 顾转变为热衷发展，对国内f e a 程序开发者来说发展p c 版本不再具有优势，而应该从下 面几方面加以努力： ( 1 ) 研究开发求解非固体力学和交叉学科的f e a 程序 经过几十年的研究和发展，用于求解固体力学的有限元方法和软件已经比较成熟， 现在研究的前沿问题是流体动力学、可压缩和不可压缩流体的流动等非固体力学和交叉 学科的问题。由于国内没有类似功能的商品化软件，所以国外的软件就卖得非常贵。为 了打破这种垄断局面，我们必须发展有自主版权、用于分析流体等非固体力学和交叉学 科的软件。因为流体力学问题远比固体复杂得多，而且很少有现成的软件可以借鉴，所以 需要投入大量的人力和经费。这就必须有国家和大型企业集团来支持。 ( 2 ) 开发具有中国特色的自动建模技术和g u i 开发建模技术和g u i 的投入比前述课题要少得多，但却可以大大提高f e a 软件的性 能和用户接受程度，从而起到事半功倍的效果。国内不少人在这方面做了很多工作，但是 由于当时p c 机上的图形支撑环境有限，所以开发的效果都不甚理想。 w i n d o w s 中提供了o p e n g l 图形标准，为在p c 机上应用可视化图形技术开发g u i 提 供了强有力的工具。o p e n g l 是当今国际上公认的高性能图形交互式视景处理标准，应用 它开发出来的三维图形软件深受专业技术人员的钟爱，目前世界上占主导地位的计算机 公司都采用了这标准。正如前面所述，近年来国外有的f e a 程序已抛开仿真软件，直接 在w i n d o w s 平台上开发有限元程序。杭州自动化技术研究院1 9 9 7 1 9 9 9 年采用o p e n g l 图形标准和相应的v i s u a lc + + 等编程工具，在p c 机上成功地开发了一套可视化有限元 9 河海大学工程硕士论文青溪水电站大坝安全复核 程序包。它能直观地通过对“菜单”、“窗口”、“对话框”和“图标”等可视图形画面和 符号的操作，自动建立有限元分析模型，并以交互方式实现计算结果的可视化处理，因而 可大大提高有限元分析的效率和精确性，也便于用户学习和掌握。 ( 3 ) 与具有我国自主版权的c a d 软件集成 前面已经讲过，当今有限元方法的一个重要特点是和c a d 软件的无缝集成。作为我 国自行开发的f e a 程序，首先要考虑和我国自主版权的c a d 软件集成。因为有限元分析 主要用于形状比较复杂的零部件，所以要和具有三维造型功能的c a d 软件集成，使设计 和分析紧密结合、融为一体。目前国内二维设计的绘图软件较多，但是真正具有三维造 型功能的c a d 软件只有浙江大学大天电子信息系统工程公司的g s m c a di i 。该软件己在 机械、航天、轻工等行业和科研单位得到了广泛的应用，列为国家”8 6 3 ”高技术c i m s 主 题主推产品，并获得全国第二届自主版权c a d 软件评测最高奖。目前正努力实现自己的 f e a 软件和g s m c a di i 的无缝集成，争取打破国外c a d 集成软件系统一统天下的局面。 有限元分析本来是一种经典的工程数学方法，但巨大的运算量长期制约着这种方法 在工程实践中的深层次应用。计算机技术的发展使这种数学方法在诸如机械、建筑和地 质等应用领域焕发出新的光彩。可以说，凡是涉及空间形态的物质结构，不论是以固体、 流体还是场的形式存在，有限元都是非常有效的分析方法。 第二章青溪水电站概述 第二章青溪水电站概述 2 1 工程概况 2 1 1 工程简介 广东省青溪水电站是韩江主要支流汀江干流上杭以下河段的第二个梯级水电 站，位于广东省大埔县青溪镇大水坑村。坝址以上集水面积9 1 5 7 k m 2 ，流域多年平均雨 量1 6 0 0 m m ，多年平均径流总量8 7 4 1 0 ”m 。电站水库总库容7 4 6 8 i 0 ”m ，属于日调节 径流式河床水电站，以发电为主，装机容量为4 3 6 m w = 1 4 4m w 。设计年平均发电量为 3 7 3 1 0 8 k w h ，远期年发电量为4 3 3 i 0 8 k w h 。 工程规模属于中型，电站工程属于三等三级，大坝为砼重力坝，坝顶高程v 7 8 o o m ( 珠江基面) 坝顶长3 1 5 o m ，最大坝高5 1 5 m ，工程按一百年一遇洪水标准设计，五百 年一遇洪水标准校核，正常蓄水位v7 3 o o m ，相应库容6 8 8 0 万m 4 ，电站工程于1 9 8 8 年3 月开工，1 9 9 2 年1 2 月第一台机组发电，1 9 9 4 年5 月4 台机组全部投产。 2 1 2 工程地形地质条件 2 1 - 2 1 库区地质地形条件 青溪水库区内广泛分布燕山三期中、粗粒黑云母花岗岩及后期侵入的细粒花岗岩、 花岗闪长岩、闪斜煌斑岩、次英安斑岩、闪长玢岩和上三叠统小坪群砂页岩、侏罗系砂 页岩和火山碎屑岩以及上自垩系南雄群火山碎屑岩。本区处于北东向构造带莲花山断裂 带的东北部，又是闽粤北西向构造十分发育部位，断裂构造相当复杂，是我省活动性断 裂带之一。根据广东省地震局认定，莲花山断裂带具有中强地震活动水平，除个别地区 ( 如海丰等沿海地带) 可发性七度至八度地震外，其他地区一般都在六度及以下，青溪 水库所在区域在新构造时期断块差异活动不明显，未出现新生代盆地，地震活动也很微 弱，偶有小震记录，青溪水电站在今后百年内的地震基本烈度以六度为宜。整个水库均 位于坪沙花岗岩体上，无可溶性岩石存在，虽然构造破碎，但风化覆盖较厚，库周分水 岭雄伟，因此不存在水库渗漏问题。 2 1 2 2 坝址地形地质条件 青溪大坝坝址位于s 型河道中部，距下游弯道处约3 5 0 m ，河床标高在可4 6 m v 5 0 m ， 水流主流方向偏右。 坝址基岩为燕山三、四期粗粒花岗岩和花岗闪长岩，二者呈侵入接触。由于处于莲 花山断裂带次一级构造发育地段，断裂构造、岩脉纵横交错十分发育，岩石风化破碎强 烈，基坑共发现大小断层4 1 条，主要有北北西、北北东、北西西、北东东组。其中北 河海人学工程硕士论文青溪水电站大坝安全复核 东东组延伸长，破碎带宽，影响带最宽处达3 1 5 m ，北北西组规模不大，但密度较高， 且切断北东东和北北东组，使得坝区工程地质条件十分复杂。但经开挖及处理后，右岸 重力坝段及厂房坝段大部分基础均能置于弱风化带岩石之上，左岸重力坝段利用较差的 弱风化岩石作坝基，在降低其力学性质指标的前提下，仍然能满足建筑物对地基的要求。 砼与岩石摩擦系数f 达到0 9 以上，坝基吸水率的平均值( ( i ) = 0 o i l m i n m 2 ；坝区水 质为重碳酸盐钠钙镁水或钙钠镁水，矿化度低，p h 值为6 1 7 5 ，对水工砼无溶出性 及其它侵蚀，大坝基岩的裂隙率大为减少，坝基完整性得到较大提高。 2 1 _ 2 3 枢纽布置 青溪水电站枢纽由拦河坝、河床式发电厂房、左岸开关站、上下游护坡以及右岸上、 下游驳运码头等建筑物组成。挡水建筑物总长3 1 5 m ，拦河坝属于砼重力坝，共分为1 8 个坝段，其中1 号一5 号为左岸重力坝段，6 号一9 号为厂房坝段，1 0 号一1 5 号为泄洪 溢流坝段，1 6 号一1 8 号为右岸重力坝段。最大坝高5 1 5 m ，最大坝底宽度为7 6 6 2 5 m ， 坝顶宽6 m ，坝顶高程v 7 8 o o m 。溢洪坝采用表孔泄流，设5 孔泄洪弧形钢闸门，单孔 净宽1 4 m ，溢流堰顶高程v 5 5 0 0 m ，弧形闸门高为1 8 3 m ，闸墩牛腿承受总推力为2 8 0 0 t ， 泄水消能方式为面流消能，设计下泄流量为1 0 2 0 0 m 3 s ，校核洪水下泄流量为1 2 7 1 0 m 3 s 。 河床式挡水主厂房( 长宽高) 为7 0 2 0 4 8 ( m ) ，机组中心间距1 8 m ，水轮机 安装高程为4 5 2 m ，进水口底坎高程为4 9 m ，水轮机层高程5 0 7 7 m ，发电机层高程5 7 8 2 m 。 安装间设在左侧，高程为