（水工结构工程专业论文）高拱坝蓄水期变形安全监控指标的研究.pdf

摘要 摘要 本文结合二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目 ( 5 0 5 3 9 0 3 0 基金) ，针对高拱坝蓄水期安全性态特点，结合有限元分析，对高拱坝蓄 水期拱座及坝体变形监控指标的拟定开展研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 在深入分析蓄水期高拱坝特点的基础上，研究了蓄水期高拱坝安全性态的主 要影响因素及其影响规律，分析了蓄水期高拱坝安全性态的特点，通过比较蓄水期和 正常运行期高拱坝变形监控指标拟定方法的不同，研究了适用于拟定蓄水期高拱坝变 形监控指标的方法。 ( 2 ) 探讨了高拱坝弹塑性有限元的本构模型和拱坝稳定分析方法的基本理论，比 较了各种理论和方法的优势与不足，分析了各种常用拱坝稳定有限元法失稳判据的特 点，结合突变理论，研究了应用塑性区体积突变作为失稳判据的稳定分析方法。 ( 3 ) 通过深入分析高拱坝的工作机理，研究了蓄水期高拱坝地质条件、荷载因素 和结构形态对拱座变形影响的特点，应用强度储备分析方法和典型地质结构参数变化 的正交数值试验，研究了典型地质结构参数变化对高拱坝安全性态影响的敏感性，提 出了典型地质结构重要性排序的分析方法，通过弹塑性有限元分析模拟，应用强度折 减法和塑性区体积突变判别法，研究了拱座变形监控指标的拟定方法。 ( 4 ) 深入分析了常用变形监控指标拟定方法的特点，应用载常数法，研究了温度 场沿坝轴线不均匀分布对高拱坝应力和变形的影响，在分析稳定控制和强度控制情况 高拱坝变形监控不同的基础上，研究了蓄水期高拱坝坝体变形监控指标拟定的结构分 析法，结合左右岸温差载常数计算方法，研究了考虑左右岸温差影响的蓄水期高拱坝 变形监控指标分析方法。 关键词：高拱坝；蓄水期；监控指标；稳定分析；敏感性分析 a b s t r a e t a b s t r a c t 幽曲i 端w 漉专量羚y a l o 鞲gr i v 嚣魏姆貂蹿o w 嚣莲e 垤l 啪怒鼹lj o 溆f e s e 纵漱翻堪 ( 5 0 5 3 9 0 3 0 ) ，s 叫y i n go nt h es a f e t yb e h 州o ro f h i 曲a r c hd 撇，d e f o 吼a t i o ni n d i c e so fa r c h a b u 弧t 撼dd 瓣b o d y 黜s 纨d i 越，w h i c hb a s e d nf e m 巍a l y s i s 。弧em a 主nc o n t e n t s a sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do n 觚a l y s i so fc h a r a c t 州s t i c so f h i 曲a r c hd 撇d 谢n gi n l p o u n d i n gp 舐o d ， 辍翻& l o 熬fi l ss 疵移b 幽赢钟a 撼庆斑羚咎l 瓤够戳鼬d i 醪。强e 穗戳琪碰舔c so f s a f e t yb e h a v i o ra r e8 m d i c d b yc o m p a r i n gd e f o r m a t i o nm o m t o 订i 冯i n d i c e si ni m p o 聃d i n g 删甜硒镳鲫嵇蕊鼹删。建鞭i 巍l e 掇嬲l o 瓠o f 穗蠢嫩n g 龇i 耐i e 然曩愆s 斑 莲i 奠。 ( 2 ) c o n s t i t u t i v em o d e lo fc l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ta i l db a s i cm e o r i e sa b o u t s t 曲主l i 移鼹越y s i sm 鳓l o d so f 融琏瓣a 忿式s 鼹s s 穗，曩砖h o 醚v a n 镪黟黼d 文s a 如雒t a 鏊e s o fv 撕o u sm e o r i e s 黼dm 甜l o d s 甜e m 跚溺o u sn o 黼a li n s t a b i l 诹谢t 嘶。堇l sa 掰 e o m p a f c d 。c o m b i n j 娃gw i t l lc 粕t r o p h em s t a b i l 埘a n a l y 8 i sm e t h o do fc a t a s 拍p h e 舔f yo f 薅躐i ez c 暾ev l 黼e 转s 撼d i e 莲。 ( 3 ) b a s e do nw o r k i n gm e c h a n i s ma n a l y s i so fh i 曲a r c hd a m ，i n f l u e n c e so fa r c h 皱斑弧e 珏l sd e 孙r 融鑫曩n 媳i c 巍c 鑫醢s 矗l 姆g l o 蚕瞧ls 主滋鑫纛溅、l o 蠢莲量枣。戆鑫稳d 蛐瞧联蠢 m o 啦h o l o g ) ra r es t u d i e d 1 1 1 es e n s i t i v 埘o ft h ec h a n g e so f 咖i c a lg e o l o 百c a ls t r u c t u r e p 鑫掇搬。毫e 礴幻攮e 鼹至毫移o f 撼g hd 鑫嫩主ss 氛堪i 礤，擞堪嚣n 蠢y 煎s 擞。氇。蠢o f 醅i 搬即髓鞠e eq f t y p i c a lg o o l o 西c a l s t n l c t u l ei sp r o p o s c d ，a p p l 妒n gw i t l ls 缸啪g f hr e s e r v em e t h o da n d o 加o g o n 醵e x p 翻m 鞠to f 馥a n g 疆p 皴撇熊黯。疆姗s ，a o _ 越i n gt oe l 勰t i c 巾l a s t i cf 熙m s i l 飘落娟。玛d 拍e 1 1 磷撼n gm e 斑o 耋o f 瓣c h 籼妇强td e 南灏a t i o n 搬。撼埝 稳g 诹d 至c 箔i s d i s c u s s e d ，a p p l 姐n gw 硪s t r e l l g i hr e d u c t i o nm e m o da n dc a t a s 们p h et l l e o 巧o fp l a s t i cz o n e v o l 戳e ( 4 ) t h ec h 锄a c t 耐s t i c so fn o 肿a lm e t h o d so fd e t e 姗i i l i n gd e f o 蝴a t i o ni n d i c e sa r e 翻熊燃禚蠢粥穗。却p l 疑n g 斌斑l o 聪聪羹黼溅e 黥薅e 蕊c 耄f 馘嚣鼹娥s 缎撼 t e m p 删u r c 越o n gd a ma x i so ns 仃c s sa n dd o f o 肋a l i o no f h i g l la r c hd a ma r es t u d i e d b a s e d o 歉基数癌y s 秘o f 蕊至l 爵翱盼然l b 或w e e 羲& a ：b i l i t y 扭童掩l 鑫薹避s 锺麟g 搬n 蜒o l ，s 弧e 搬礴l 繇越姆s l n e t l 的do fd e t e n n i n i n gd e f o n n a t i o ni ss t u d i e d c o n t a c t i n gw i t hl o a d n s t a n tc a l c u k l t i o n m e 国o d 讹i 豳c d n s i d 锻酲峨像u n c v e nd i s t u 如e dl 啪p 黝妇e 垂l e l da l o n gd a ma x i s ， 纛两f m 鑫娃髓越i c 嚣o f 赫盛鞠谦d 缀l 戤d e 溆磁i 髓 1 ( e yw o r d s ：l l i g h 鲫c hd 锄；i 】呻p o u n d i n gp e f i o d ；摹】的n i t 0 幽g 撖d i c e s ；s 油i l i t ya n a l y 8 i s ： s 魏莓i 蠢谑移勰越y 嘲 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 髫蓬 一 。舯多月? 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：述二玉 一。瞄年 歹胃3日 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 拱坝以其材料强度发挥充分、超载能力大、工程量省、泄洪布置方便及抗震性能 好等优点在囡内外被广泛采用。根据国际大坝委员会1 9 8 8 年出版的大坝注册簿统计， 截止1 9 s 6 年底，全世界已建的拱坝高度大于1 5 撒的有1 6 0 8 座，占世界大竣总数豹 4 。全世界2 0 0 m 以上的高坝，一般均采用拱坝坝型，其中坝高1 0 0 m 以上的混凝土 拱坝约有1 9 5 座，2 0 0 m 以上的约有1 9 座【。近十多年来，我国修建高拱坝的速度加 快，高度也越来越高。国内已建和待建的1 0 鼬以上的高坝有2 0 座醛吲，如已建藏的 龙羊峡拱坝( 坝高1 7 8 m ) 、二滩拱坝( 坝高2 4 0 m ) ；近期正在开发的金沙江的爨洛渡 拱坝( 坝高2 7 3 m ) 、澜沧江的小湾拱坝( 坝高2 9 2 m ) 、雅砻江的锦屏一级拱坝( 坝高 3 0 5 貔) 等坝高都超过基前世赛最高的格鲁吉亚的2 7 2 攥麴英吉里拱坝。实践证明拱坝 超载能力强、安全度大。依据国际大坝委员会的统计，全世界已建1 6 0 0 多座拱坝中， 真正溃坝失事的仅2 座，失事概率仅o 1 2 5 。但由于拱坝结构复杂，受两岸和基础地 质条徉及环境荷载影响大，拱坝大面积开裂甚至溃坝失事仍时有发生，法国玛尔帕塞 拱坝1 9 5 4 年建成，1 9 5 9 年1 2 月2 日下午突然崩溃，造成4 0 0 人死亡，其服务仅5 年 7 个月；意大利的瓦依昂双曲拱坝近坝库区左岸发生大滑坡，造成水库报废，2 6 0 0 人 死亡的重大悲剧。我国许多摸坝也存在不同程度的安全隐患，如龙羊峡、二滩、丰乐 开裂，陈村歼裂和变形异常等。随着西部水电大开发的进一步开展，拱坝建设出现新 的高峰期，几座2 0 0 m 3 0 0 m 级的高拱坝已完建或正建设中。这些特高拱坝的设计、 旋工和运行没有现成的经验可以参考，且运行环境复杂，其安全闽题已弓| 起高度关注。 正鉴于此，这些高拱坝都建有较完善的内部和外部安全监测系统，以监控大坝的工作 状况，反馈设计、施工和运行。而蓄水期，特别是曾次蓄水是检验拱坝是否适宜蓄水 运行的重要敏感阶段阁。坝体、坝基及拱座的缺陷，会随着库水位的升高丽逐渐暴露 出来；近坝区岸坡的稳定性，也会因地下水位升高而受到影响。根据世界上大坝失事 的统计资料，几乎6 0 左右的大坝失事是发生在水库初次蓄水或其后几年内。因此， 世乔各国对施工期和首次蓍水期的安全监测特别重褫。实际上，蓄水期拱坝的整体工 作性态，可以通过变形、渗流、应力应变等的变化情况反映，而其中变形变化状况尤 河海大学硕士学位论文 为直观可靠哆它综合反映了各种因素对大坝工作性态的影晌。因此，分析蓄水期高 拱坝变形规律，研究离拱坝蓄水期变形的安全监控指标拟定方法，对提高大坝运行效 率，反馈设计、施工和运行，确保大坝安全具有重大的理论意义和实际应用价值。 1 2 研究现状 1 2 1 大坝安全监控 1 2 。l 。l 实测资料监控模型 国外对安全监控资料分析起步较早，自1 9 5 5 年意大利f a n e l l i 和葡萄牙r o c h a 等 采用回归方法进行定量分析以来，大坝安全监控在世界各国得到了广泛应用和发展 1 6 7 1 。1 9 7 7 年f a n e l l i 等人结合有限元理论计算值与实测资料，提出了混凝土大坝变形 的确定性模型和混合模型。近2 0 多年来，随着计算机技术的发展，统计模型、确定性 模型及混合模型在生产实践中褥到了广泛应用。我国大坝变形资料分析工作起步较晚， i 9 7 4 年以前主要是定性分析，即通过实测过程线和简单统计特征值来分析大坝的运行 状态。1 9 7 4 年以后，在河海大学陈久宇【7 6 j 等的创导下，应用统计回归方法分析原型监 测资料，并将分析结果加以物理成因分析，提出了时效变化的指数模型、双曲函数模 型、对数模型、线性模型等。2 0 世纪8 0 年代中期，河海大学吴中如陟7 9 1 教授等人从 混凝土徐变理论出发推导出坝体时效位移的表达式，用周期函数模拟水压、温度等周 期荷载，并用菲线性二乘法进行参数估计，提出了坝体水平位移的时间序列分析法以 及建立连拱坝位移确定性模型的原理和方法。随着大坝监控理论的发展，些研究者 利用数学等相关领域的前沿成栗，提出了一些分析模型f 8 0 棚】：如灰模型、模糊预测模 型、神经网络模型、遗传回归模型、时间序列模型等。在提取监测资料趋势项( 即时 效分量) 方面，弓| 入了小波理论f 8 】进行分析。同时，考虑到大坝系统是一个动态的、 变化的系统而提出了时变模型2 1 。 1 2 1 2 反馈分析 为了监控大坝及其它水工建筑物的安全运行，基于监测资料的反馈分析主要包括 以下几个方面：用置信区间法、典型小概率法等拟定水工建筑物各个观测受的安全啦 控指标及其相应的水压、温度等控制荷载：根据安全监测资料，应用可靠度理论反馈 2 河海大学硕士学位论文 ( 2 ) 可能滑体的各种界面上的渗压一般按面力计，不考虑各块在达到极限平衡状 态前的位移过程中，数值上有改变； ( 3 ) 坝肩坝基各可能滑体内部刚度无限，滑体只能做整体移动或转动，只考虑各 滑体上力的平衡，一般不考虑力矩平衡； ( 4 ) 不计各可能滑移面、错移面在其法向上压缩性，不计各面在达到各自极限平 衡状态时剪切错动位移可能不同的影响，各可能滑体所有各滑移面、错移两同时达到 极限平衡状态； ( 5 ) 各可能滑移嚣、错移面，在达到极限平衡状态时，该面上的剪阻力与相对滑 向平行并指向相反，数值达到最大值； ( 6 ) 对予一个统一的滑移面、错移面，不单独考虑可能的强度不均匀性； ( 7 ) 一般不计地应力。 该法理论成熟、概念清楚、计算简单，可以解决各种复杂割蘧形状、能考虑各种 加载形式，并且容易被工程人员所理解和掌握。但该方法计算较为粗略，引入较多假 设，且力学模型为“剐塑性”，因两其计算结果较为粗略，尚不能正确反映卷体结构的 受力状态，因此，该方法在拱坝坝肩稳定分析方面还存在不足。 ( 二) 地质力学模型试验法 地质力学模型试验技术发展于2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初，是建立在相似理论 之上的一种试验方法，它可以做到与原型麴重力相似、地质构造的产状和物理力学参 数等都相似，能分析地基结构的破坏形态、破坏机理以及稳定性等问题。 地质力学模型试验是以弹浆性力学的基本假定为前提，在试验中按照棚似理论， 不仅要求模拟拱坝及坝肩岩体的几何形状，用高容重、低强度、低变形模量的非线性 模型材料刳成模型，嚣且还要求模拟各主要地质构造及其物理力学特性( 包括鲁重、 变形模量、抗剪强度指标等) 。具体过程是将原型放大或缩小一定的几何比例并经过简 忧处理铡成实体模型，采用试验的手段，研究结构的工作状态及地质构造条件对工程 的影响。对于包含一定范围持力地基的拱坝整体地质力学模型试验，一般采用超载法。 该方法通过逐步鸯羹载揭示坝肩岩体的破坏机制、破坏过程，了解拱坝和坝赓岩体相互 作用下的变形特性、超载能力和破坏机理，发现开裂及压剪的薄弱部位和设计加固处 理措施，并根据荷载与变形关系蓝线初步估计大懊和坝基的稳定安全度。 地质力学模型试验能比较全面真实地模拟坝体和基础岩体的地质力学特性，直观 地褥现坝体和基岩的工作性态。但是由于试验中的一些技术闻题还未全部解决，如地 4 第一章绪论 震、扬压力和温度荷载的模拟；模型试验周期长需要投入的入力物力较大、费用贵； 不便于改变形状尺寸和参数，难以做到与原型完全相似；岩体的物理力学指标也不易 确定；测量设备虽然已经做到自动化的阶段，但测量的精度还有待进一步提高。因此， 它仅具有定性分析的价值，只能作为大型工程设计的辅助性参考依据。 ( 三) 可靠度分析法 可靠度分析澍1 8 。1 9 1 是一种基于概率统计理论的不确定性分析方法。结构的可靠度 指的是结构或构件在规定的时间内，在规定的条件下所具备预定功能的概率。它认为 所有的工程变量都是随机变量，在这基础上发展出一整套基于可靠度理论的计算方法， 最后算出概括结构安全性与可靠度的各种量值，以设计或校核结构。因为它将结构的 作用和效应紧密结合一起，充分考虑各参数的随机性，以及参数之间的相关性，所以 比常规单一的安全系数法要合理。其主要特点有： ( 1 ) 它将作用的荷载、荷载效应以及抗力和物理力学参数都当成随枧变量： ( 2 ) 通过统计特征分析和检验来确定分布类型； ( 3 ) 用结构分析方法建立大坝的极限状态方程，进而求得失效概率和可靠度指标。 拱坝坝肩岩体成因及构造复杂，物理力学参数具有分散性和不确定性，而且坝肩 岩体受水压、变温、材料参数等不确定因素的影响，所以考虑随机特性进行坝肩稳定 可靠度分析也是比较有意义的。但是随机变量和不确定因素的分布在很大程度上影响 着分析结果，因此要成功运用可靠度方法来解决实际问题需要有完整的观测资料和试 验资料，这对尚未竣工和蓄水初期的工程来说是无法达到的，由此常造成计算精度不 高，甚至无法使用；晃外建立恰当的功能函数是可靠度计算分析的关键，然而在实际 工程中，功能函数常常不能以显函数的方式来表达，使得计算变得非常复杂，甚至难 以进行下去。 1 3 问题的提出 变形监控指标是评价和监测高拱坝安全的重要指标，它反映了大坝整体的安全性 态，有利于确保高拱坝的安全有效运行。蓄水期是高拱坝坝体和坝基工作性态变化较 大的阶段，通过分析高拱坝蓄水期的变形特点，拟定其监控指标，可以及时发现高拱 坝安全性态的变化规律并监控其安全状态，同时验证设计和旌工，反馈基础处理的有 效性。但高拱坝蓄水期的工作性态极其复杂，随着水位的上升，水库一大坝一基础产 羹一羹* 垡 囊；囊羹蔷募塑器旨型羹藩融 薰蝉罂銎瞪基凰錾陋芬舔匿览疆醺囊塑鋈；高强滴， 旋黼戮期翮翻爱铥裂驳堡犟i 耐蓁f 要萝豁墼蕃眨划餮i 型镞溜摹琨偬臻铆嚣翻多理 渤i 堕蠼懒曦嚆蝴嚣薪警强薹墼蓊鞘摄鋈，镰猜墨潜潞澎攀哮潦噬溺d 巍。蠢翻； 列錾霞嚣淤剥聋簿矬蟹融。一咭镉涌壤茁嚣蒯魍缀剖塑醇翅姻瓣野娌， l 型! 盔蔼蔗罐高攀 矗选摧孺膨篓i i 55 2 i 拟一垂暴蛋形颤箕毪瑗挺强瞄磁疆蕊建两强滗。嘲强酒运墨灞 线溜孺罐髫渭强躏掰疆鎏鬣剡冀妻；甥潘删伟阳穗诺溻碍帮哺涵谋罐前鳍丽，e 蒺瑚 白蕈天誊孺箕莱下锅薯谥蒹循；锚强篷潭晒落皑薹一琴紧璺褰嶷瞍捌强笋参疑黝强莨i 巨黪憝薹菌霸涵葡穗掌筘终刿墼驰醐到驷鞋糖i 潞犍戮醒煦鹭剿i 飘夏茸葶托姐鏊 1 鼎蝎蜴吲嗍骖崛埔一翔；埋豫塑壤咧趟锣筠澎聪眩i 萋甥缓连阵薹甜誊耋器i 潞錾 凌鬟嫘崖连臻淫辫浮诗噶瀵臻；燃姒裂剐熬曩t ；l | 鬻氍醐蠹强蠲瓣；攀鹾蠡鹳掣裂戮浆戳群秘阿彭黟翱蛩羹强喝强逢臻| ；霆鬟祥茸浦茹箔墨疆羹移舀辩骊端硝翮耐奴； | 耋 愚固嘭崾酗那掷娃铂断瓣瓣种“鞘蕤馘；藏? 酎秘西鹁镌罐鞫飘浮# 氯冀； 燧两毯捌游吲馐曙澎皇瀚唆蠲；随灞咧携习铆唯谣纂剿幽t 擎瓢蛳到；嚣胖楚囊 举丝面疆仃；融鲥；酆影鬻致冀孽囊士毒褒瑚鳖捌；篡萋搿鲤型税匪裁裂k 娶f 鬈荤 志蛰堕璎弪髭釜蓁指括拟定方：封够誉蔼甥喝孙防倩剖羹羁受到戮韩烈鬃丽邕芜精篷 强揣塞磲嘲；矧碓强嘛鬻引甄裂獭剖勤彩黼剽葡嗣羹甬蕈蓁冀萎雾饕薹蓁茎薹妻霎 印薹耋j 席玟蠹答赫篷葬某笛髯棼盏癸算罂强奖幕些雾鹗瑟；薹晷瓮旃姑名堪簖灌毒 强。筝席罐基篷璃；颦鳆甄鞴塑萋萋露墼叟羹熙魄蓍耗瞬陲匿硪融鸯秽；盥蓝淄前傲 臧罾羹j 掣锑薹唱窟矍瑟阵蓁娶翼潞公理固译签圈：塌耀唧凄尝埠穗唾星蹩；零窿鬣 鐾型缏堕i i 舅； 雾，雾萋鬟蓁羹凳 鬟釜鬣鬈在臻摧篓蓊赣髓藩萌黼嚣翻瞒毓蒸醒趟i 曹睹埘蠢黼羊枣露霾羹灞矛 醚；汞霸熹瓣褊等苯丞爨搪撂勰努矍蠢，叠差毹霾臻淡嵫漤渔淄溉溺强鬻曩湛淫湓点 弼薹骚等；g 搽雀堑荚磊签盘渣馨翌尘撰毽垮i 恕蟊型民燮娶型；篱蓁烈熬掸削嚣裂 雕期彭劐剿勤斟翳粼翟娜粥犁型黔残湃鞑；蓁侄荐隧醚墓嚣塑雾? 薅剿鱼 | l j 多再鼎冠 熨牛：囊霎霎薹翥粼鲻赢澍粪赫 x 第一章绪论 ( 3 ) 分析拱座变形的的影响因素，通过数值模拟，利用正交试验法对拱座地质参 数进行敏感性分析，以分析确定对拱座变形影响显薯的地质结构和参数变化范围；由 此，通过弹塑性有限元分析模拟，基于强度折减法和塑性送体积突交准则，研究拱座 变形监控指标的拟定方法。 ( 4 ) 通过数值分析，研究沿坝轴线方向温度分布差异对坝体温度应力的影响量级， 并与规范温度旖载作用下坝体的应力状态进行比较分析。分析稳定控制和强度控制情 况高拱坝变形监控的不问，研究蓄水期高拱坝坝体变形监控指标拟定的结构分析法， 结合左右岸温差载常数计算，拟定考虑左右岸温差影响的蓄水期高拱坝变形监控指标。 以某高拱坝为例，拟定了蓄水期高拱坝变形的监控指标。 本文研究图框如图l 。l 。l 所示。 圈1 1 。l 本文主要硖究内容结构墅 7 河海大学硕士学位论文 第二章高拱坝蓄水期安全性态的影响因素及特点分析 根据世界上大坝失事的统计赘料，几乎6 0 左右的大坝失事是发生在水库初次蓄 水或其后几年内，施工期和首次蓄水期的大坝安全监测和分析对及时发现安全隐患， 进行设计施工纠偏，确保大坝安全具有至关重要的作用。而高拱坝蓄水期工作性态与 其在正常运行期有所不同，因此，监控蓄水期高拱坝的工作状况，首先需要了解高拱 坝蓄水期安全性态的影响因素以及其特点。 2 1 高拱坝蓄水期安全性态的影响因素 拱坝作为一种经济性和安全性均较优越的坝型，在国内外得到广泛的采用。与其 它坝型相既，拱坝在结构和安全上有以下主要特点：外荷载主要通过拱的作用传递 到拱端两岸，主要依靠两岸坝肩和坝基的岩体维持稳定；坝体应力状态以受压为主， 这一特性能适应坝体材料抗压强度高的特点，使材料强度能充分发挥。摸坝属于离 次静定的空间壳体结构，具有相当强的承载能力，安全度高。当外荷载增加或拱坝某 部位开裂时，坝体应力可以自行调整，必要坝肩稳定可靠，坝体安全度一般较大。影 响高拱坝蓄水期安全性态【9 8 - 1 0 2 ，1 0 6 1 的因素是多方面的，将这些诸多因素概括起来可分 为：荷载、材料的物理力学特性、坝体结构、施工、蓄水和地形地质条件等方面。参 考混凝土拱坝设计规范( 4 1 ，将这些影响因素所包含的内容阐述如下： ( 1 ) 荷载 影响拱坝安全性态的荷载包括自重、水压力( 静水压力和动水压力) 、温度荷载、 扬压力、渗透压力、混沙压力、浪压力、冰压力、地震荷载和其它可能出现的荷载。 蓄水期和正常运行期，影响高拱坝安全性态的最主要因素是自重、水压力和温度荷载。 但蓄水期高拱坝有其特点，首先混凝土水化热尚未完全消散，其对温度场的影响不容 忽视；其次，高拱坝常常采用阶段性蓄水，因此大坝可能仅部分封拱，尚未形成整体， 温度、水压力和自重等对大坝工作性态的影响不同。 ( 2 坝体材料的物理力学特性 筑坝材料的物理力学特性主要包括混凝土弹性模量燧、混凝土泊松比、混凝土 比热c 、混凝导热系数五、混凝土密度反、混凝土表面放热系数孱、混凝土线膨 8 第二章高拱坝蓄水期蜜全性态的影响因素及特点分析 胀系数口和混凝土极限拉伸值g 。以及混凝主的抗拉、抗压强度，另外还包括混凝土的 抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性和抗冲刷性能指标等。蓄水期，在水压力和水侵蚀的作用 下，坝体的一些材料特性会有所变化，比如混凝土的抗拉强度在水中会降低，丽其弹 模会增大。 ( 3 ) 坝体结构 拱坝的坝体结构主要包括基本体型、坝体分缝( 横缝和纵缝) 等。坝体基本体型 通常可用拱冠梁剖面和水平拱圈两部分来描述，主要包括坝体厚高比、各水平拱圈、 梁向曲线参数等，如图2 1 。l 。拱坝的变形与其结构有着非常紧密的联系。对于某一特 定的拱坝而言，会因为其布置或结构上的特点，而产生特有的变形。 j y 。f z ( 卷) 拱嚣粱( b ) 水平拱 图2 1 1 拱坝几何模型 ( 4 ) 地形地质条件 工程地质条件主要包括：地形地貌i 期、地层岩性、地质构造、水文地质条件和物 理地质现象，天然建筑材料等与工程建筑有关的地质条件。其中地形地貌主要包括河 流走向和河谷形状以及地表形态、高程、地势高低等；地层岩性包括岩石的成因类型、 形成年代、埋藏深度、产状要素、岩石的弹性模量等物理力学特性；地质构造主要包 括断层、夹层及破碎带等：水文地质一般包括地下水类型、含水层与隔永层的埋藏深 度、厚度、组合关系、空间分布规律及特征、岩层的水理性质、地下水的运动特征、 地下水的动态特征、地下水的水质及水的物理化学性质等。 拱坝与基耢是一个整体，彼此互相影响。拱坝所承受的荷载通过拱梁传到地基时 会改变地基的变位和应力，反过来地基的反作用又会影响坝体的应力分布和变形。由 于水库蓄水会造成岩石的材料力学效应，如凝聚力和内摩擦角降低等，从而影响岩基 9 河海大学硕士学位论文 2 3 高拱坝蓄水期变形监控的特点 2 3 1 变形监测资料 蓄水期特别是首次蓄水，是检验拱坝是否适宜蓄水运行的重要敏感阶段，设计、 施工包括基础和库岸处理等不足会随着水库水位上升而逐渐暴露出来，近坝区岸坡的 稳定性也会因地下永的升高而受影响。对高拱坝蓄承期做出及时的定性定量评价，不 但可以及时监控大坝在蓄水期的工作状态，而且可以为大坝以后正常运行提供基础科 学依据，因此深入开展高拱坝蓄水期的变形分析并拟定监控指标是十分必要的。 对高拱坝蓄水期的变形进行监控主要包括坝体的水平位移、垂直位移，两岸边坡 的位移等内容。与运行期的变形监控有所区别，高拱坝蓄水期的变形监控有其自有特 点，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 量级小。蓄水期的水位比运行期的水位低，其相应的变形较小，因此变形 监控比正常运行期的小； ( 2 ) 趋势性变化明显。水库蓄水初期，变形受库盘、两岸地质结构变形影响大， 接着由于荷载逐渐增大和结构调整影响，初期变形和以后的变形趋势会有所不同，因 此蓄水期随着水位的升高，高拱坝的变形的速率相对较大； ( 3 ) 过程线特点。由于在汛期的水位快速上升，过程线可能产生跳跃，同时由于 温度变化的影响，具有一定的年周期性；变形空间分布规律复杂，这与蓄水期拱坝温 度场受水化热、通水冷却以及气温、水温、蓄水过程影响有关； ( 4 ) 资料序列短，经历的荷载工况少。监测系统也处在适应、调整稳定期，资料 观测误差和随机不确定性因素影响大。 2 3 2 蓄水期高拱坝变形安全监控方法 ( 1 ) 资料分析特点 由于蓄水期高拱坝的监测系统也处调整期，监测资料规律性差，干扰大。资料的 误差分析，尤其误差源的分析将很大程度上决定资料分析成果的准确性，因此，除了 蓄水过程外，施工过程、监测系统运行情况、监测量初值的选取等将是分析的重要内 容；同时由于资料样本少，资料分析将菪重结合力学机理和结构特点，以定性分析为 1 2 河海大学硕士学位论文 第三章弹塑性有限元和拱坝稳定分析 拱坝有限元分析包括结构分析和稳定分析。结构分析的方法有圆筒法、纯拱法、 拱梁分载法、有限元法和结构模型试验法等等，其中拱粱分载法是规范规定的设计计 算方法，有限单元法的计算结果也是强度安全重要的设计参考依据。拱坝稳定的方法 很多，且各有不同的优缺点，网前常用的有刚体极限平衡法和有限单元法。刚体极限 平衡法理论成熟、概念清楚、计算简单，但弓l 入的假定较多，计算结果较为粗糙。随 着计算机技术的发展，尤其是弹塑性有限元计算的发展，有限单元法的应用越来越普 遍。有限元分析不仅满足静力平衡条件，还可以考虑分析对象的弹性、塑性特性以及 非均质性和几何形状所引起的应力变化，能更好的模拟结构和基础受荷后应力、应变 和佼移的变化。正如第二章所述，蓄水期安全监控指标的拟定，要通过结构计算和监 测资料反馈调整进行分析。因此，本章在简要介绍结构弹塑性有限元计算基本原理的 基础上，分析了各种稳定分析方法的特点，研究了基于a b a q u s 的拱坝稳定安全分 析方法，比较了各种稳定收敛判据的优势和不足，提出应用塑性区体积突变作为稳定 安全分析的判据，以拟定蓄水期高拱坝的变形监控指标。 3 。1 弹塑性有限元本构模型 3 1 。l 屈服准则 屈服准则是指材料由弹性状态最初进入塑性状态时必须满足的条件，又称屈服条 件。它可以用屈服函数和屈服面表示，在主应力空间中，屈服条件表示为： ，( 盯 ) = o ( 3 1 1 ) 式中：f 为屈服函数，f o 的状态。对于岩土、混凝土一类材料的屈服条件一般用应 力偏量的不变量表示为： f ，五，五) = o ( 3 。1 2 ) 式中：五：反映静水应力的影响； 1 4 第三章弹塑性有限元和擞坝稳定分析 通常把塑性势函数间屈服函数相同的流动法则称为相关联的流动法则。反之，称 为非相关联的流动法则。对于相关联流动法则，其弹塑性本构张量是对称的，刚度矩 阵也是对称的；对于非相关联流动法则，弹塑性本构张量和刚度矩阵均是不对称的。 一般来说，对于周一类型的材料，采用关联流动法则所得的破坏荷载比采用非关 联流动法则所得的破坏荷载大【3 2 】。理想塑性材料和一般的强化材料均属于稳定材料， 遵循关联流动法则。对于岩土和混凝土一类材料，虽然采用非关联流动法则更符合实 际，但是导出的弹塑性矩阵是不对称的，增加了解题的难度。因此一般情况下，对于 岩土岑季料仍采用关联流动法则。在有限元计算中，采用何种流动法则取决于剪胀角( 矽 值) ：当剪胀角与内摩擦角相等( 5 f ，= 缈) 时，为关联流动法则；反之，当沙筘缈时， 为j # 关联的流动法则。 3 2 拱坝稳定安全分析方法 拱坝的稳定性主要是依靠坝肩两岸岩体来维持，因此坝肩岩体豹稳定直接关系到 拱坝的正常运行和安全。目前分析拱坝坝肩稳定的方法较多，主要有刚体极限平衡法、 地质力学模型试验和有限元法等分析方法。采用有限单元法能够充分考虑岩体不同区 域材料的力学特性、坝肩岩体构造的复杂性以及岩体变形对坝体结构的影响，并且能 够一次算出稳定安全系数。另外，在分据过程中，可以褥到危险滑移面上应力、应变 及稳定安全系数的变化规律，定量的指出最危险区域的位置，这是前面几种评价安全 度方法凄不及的。因此，用有限元方法进行坝扃稳定分爨逐渐成为一种发展趋势。 有限单元法用于坝肩稳定分析【3 3 刁9 1 始于6 0 年代，由克劳夫、威尔逊、晋基维茨等 人首先采用线弹性连续体有限元分析法求解岩体力学闷题，包括岩体、坝基、摸坝坝 肩的稳定验算。随着线性及非线性有限元理论不断完善，有限单元法也日趋完善和成 熟，并广泛应用于岩工程中，其中包括用有限元法来研究大型工程及重要求工建筑 物、岩质高边坡的稳定性、以及坝体、坝基岩体的应力和变形等，进而分析坝肩岩体 和坝体结构的稳定性和坝体的结构特性。拱坝坝扁稳定分褥的有限单元法有直接法和 间接法两种方法。 蛊接法是在正常情况下( 一般指正常菏载和歪常参数) ，计算系统的位移场和应力 场，内极限平衡公式直接计算安全度。直接法包括点直接法和面直接法两种，基于点 1 7 第三章弹塑性有限元和拱坝稳定分析 但是大坝运行时，过度超载是不现实的，首先坝前水位不可能大幅度增加，而且 它没有考虑由予上游水位变化引起的其他荷载的变化，坝体自重的变幅也很小，温度 的一定变幅，也不可能成倍增加，不能反映大坝真实的失稳破坏模式，且高拱坝的真 正危险不是荷载的成倍增加，而是材料强度的不足。 强度折减法与超载法正好相反，它是考虑岩体本身具有一定的强度储备能力，在 保持赫载不变的条件下，将岩体的强度参数( 粘聚力和内摩擦角) 逐级降低，直至失 稳。考虑到材料强度参数的离散性，特别是粘聚力c 值变化较大，强度折减法在一定 程度上能够较好反映大坝和地基的破坏模式。 同时也应注意，有限元法的计算精度受单元划分的疏密程度和单元特性影响，网 格划分的越密、单元形函数的次方数越高，计算的精度就越高，反之，就越低。另外， 有限元法计算结果的可靠程度取决于采用的计算模型及计算参数。在进行坝肩稳定分 析时，若采用弹性模型，则可能因应力过大，低估坝肩安全系数，丽弹塑性分析则受 选用的屈服准则和破坏准则的限制，不同的准则会导致不同的结果。研究表明，有限 元计算常常因计算模型和计算参数的选取不同及对某些边界条馋的处理不同丽带来显 著的差别。 3 3 基于a b a q u s 的有限元强度折减法 a b a q u s 有限元软件是由美国h k s 公司针对固体和结构力学闽题进行数值分析 而开发的一套通用有限元程序系统。目前a b a q u s 已成为国际上最先进的大型通用 非线性有限元分析软件之一，并广泛应用于工程生产中。在菲线性分析中，a b a q u s 能自动分析选择合适的衙载增量和收敛准则，不仅能够自动选择这然参数的值，而且 在分析中也能不断调整这些参数值，确保获得精确的解。 3 3 1 有限元强度折减法的基本原理 有限元强度折减法考意到坝扁岩体本身具有一定的强度储备能力，在保持荷载不 变的条件下，将岩体的强度参数( 粘聚力和内摩擦角) 逐级降低，直至失稳。其基本 骧理是将岩体的强度参数：粘聚力e 和内摩擦焦够同时除以折减系数罗： 1 9 河海大学硕士学位论文 c c = 一 f出胁川 3 m 得出一组新的、值，然后作为新的资料参数输入，得到该级强度下的位移场和应 力场，重复上述步骤，褥到各级强度条件下的位移场和应匆场。随着拆减系数f 值的 逐渐增大，当岩体符合给定的临界破坏的判定条件时，对应的，称为边坡的最小安全 系数，此时岩体达到极限状态。 采用这种方法对粘聚力和内摩擦角进行折减，有等比例强度折减和不等比例强度 折减两耪方法。通常按等比例强度折减法分析岩体稳定，鞠将强度参数粘聚力e 和内 摩擦角同时除以一个折减系数进行折减。由国内外试验研究表明，粘聚力和内摩擦 角两参数受外界影响程度不同，缈受外界因素影响较小，其值较稳定，而c 受外界因 素影响较大，其值不够稳定。因此把粘聚力e 和内摩擦角爹按等比例强度折减，显然 不够合理，也不符合实际，而采用不等比例强度折减则较合理且符合实际。但不等比 例强度折减方法分析糍体稳定仍然存在诸如c 、妒值按何种不同比例折减、如何根据 两个不同折减系数来评价岩体的稳定性等一系列的问题，这些问题还有待进一步研究。 综合考虑各方面原因，本文中均采用等比例强度折减法。 3 3 2a b a q u s 软件中的材料本构模型 a b a q u s 软件是嚣前在处理岩土工程问题时应用较广的一种逶焉软 孚，它提供了 较多的本构模型。合理选取材料的本构关系是正确解决问题的前提条件，这里采用服 从m o l l f - c o 毽l o m b 屈服准则的弹塑性本构模型。 m o h f - c o u l o m b 破坏和强度准则在岩土工程中的应用十分广泛和可靠，大量的岩土 工程设计计算都采用了m o h r c o u l o n 南强度准则。a b a q u s 软件中的m o 虹c o u l o 舶 屈服准则与一般意义上的m o h r _ c o u l o m b 屈服准则不同，它是在经典m o h 卜c o u l o m b 屈服准则基础上的扩展。 ( 1 ) 传统的m o h r - c o u l o m b 屈服准则 传统的m o h r c o u l o m b 屈服准则在主应力空间的屈服面为一不等角的六棱锥体， 在硝平面上的屈服轨迹为等边不等角的六边形，在子午面( p q ) 上为拉压不等的两条直 第三章弹塑性有限元和拱坝稳定分析 线。传统m o h r _ c o u l o m b 的破坏面如图3 3 1 和图3 3 2 所示。 m o h r - c o u l o m b 屈服准则的破坏函数为【4 5 4 6 】： f ( p ，q ，吃) = q p t a n 妒一万= o ( 3 3 2 ) 其中：孽为广义剪应力，p 为球应力，免为应力b d e 角( 一万7 6 纯万6 ) ，其中： 吃= 一万6 对应于三轴拉伸状态，吃= 万6 对应于三轴压缩状态，歹与万定义为下 式 纽万：二型翌一 3 。3 + 2 a ) l 勰够= 芦- 一 3 j + 二硅歹 么3 s 吃一s i n 吃s i n 妒 一 3 f e o s 够 e = 一 3c o s 吃一s i n 吃s i n 缈 ( 3 。3 。2 b 由于屈服两上有尖角，为了避免在数值计算中的奇异性，往往在棱角处采用广义 m i s e s 圆( 一般地采用d m c k e 卜p r a c k e r 破坏面) 代替，以此表达服从m o h 卜c o u l o m b 破坏准则与关联流动法则的理想弹塑性本构模型。 s l 1 j l 压缩铡 研叫 拉伺 o l 坏线 2 o ， p 破坏线 g l 。d ， 图3 。3 1 子年嚣土的秀条m 破坏线 d r u c k e r p r a g e r ( m is e s ) 鍪3 3 2 待统鹾馥f l e o 鞋l o 聚b 在窍平面上的娥坏面 ( 2 ) a b a q u s 软件中的m o l 小c o u l o m b 屈服准则 2 l 河海大学硕士学位论文 a b a q u s 软件中提供的m o h r - c o u l o m b 屈服准则是经典m o h r _ c o u l o 瑚l b 屈服准则 的扩展，采用m o h r c o u l o m b 屈服函数，包括粘聚力的各向同性的硬化和软化，但该 模型的流动势函数在予午面上的形状为双曲线，在万平面上没有尖角。其破坏面在子 午面( 。垡一p ) 上定义m 为： f ( p ，g ，p ) = 如。口一p t a n 缈一c = o ( 3 3 3 ) 式中：如。为m o h f - c o u l o m b 偏应力系数， = 志豳( 疹詈) 专扣( 秽+ 詈) 鼬够 8 3 捌 2 丢蟥投p 詈h s p 号鼬够 3 a ) 其中c o s ( 3 啦( o o ，拱座处于稳定状态； 当= 4 魏3 + 2 7 y 2 f ，则该因素为高度显著；若斥 f o8)置信区间(置信带)和4 2 x 第p n q 帮蓄水期拱座变形的安全分析和监控 第三，将上述的输入数据和期望输出作为训练样本，对神经网络进行训练； 第四，选取拱座和坝体变形典型测点如垂线测点的实测变形值进行归一化处理， 作为网络的输入数据，输入到已训练