300m级高拱坝布局问题研究
300m级高拱坝布局问题研究(96-221-04)是“九五”国度重点科技攻关项目“高坝工程技术研究”的第4个课题。科技攻关是结合即将兴建的小湾和溪洛渡两座特高混凝土拱坝进行的。小湾拱坝高292m,溪洛渡拱坝高278m,均凌驾了目前世界最高的格鲁吉亚英古里拱坝(高272m)。本课题包罗3个专题:①高拱坝应力控制尺度研究;②高拱坝新型公道体型的研究和应用;③高拱坝坝基抗滑不变研究。现将主要成就分述如下:
(1)用三维有限元法模拟大坝施工和运行历程,系统地阐明了通例设计中没有考虑的各项因素对拱坝应力状态的影响,如封拱前坝内温度变革引起的初应力、横缝不抗拉、施工历程、非线性温差等对高拱坝应力的影响。用有限元法和多拱梁法对海内外十余座已建高拱坝进行了详细应力阐明,研究了差异计算要领、差异计算软件、差异网格形式对拱坝应力的影响。对海内外已建的66座高拱坝的计算应力、实测应力和变位、应力控制尺度、混凝土力学特性、实际运行环境及各国现行拱坝设计范例进行了整理和综合阐明,摸清了在拱坝设计中已经考虑的和没有考虑而实际存在的各类因素对高拱坝应力状态的影响,为制定新的拱坝应力控制尺度奠基了根本。
(2)现行拱坝应力控制尺度存在不少缺点,如应力控制尺度与建筑物重要性无关、答允拉应力与混凝土强度无关、差异计算要领和差异计算软件算出的应力数值相差较大,但答允应力值是沟通的,缺乏有限元法的应力控制尺度等。在总结海内外拱坝建设实践经验的根本上,结公道论阐明,提出了一套新的高拱坝应力控制尺度,克服了现行拱坝设计范例中的缺点,答允应力与建筑物重要性和混凝土强度挂钩,给出了有限元法、拱梁分载法及差异软件的答允应力,反应了海内外拱坝建设的实践经验和科技进步,计算简单,与已有工程比拟,也切实可行。
(3)提出并完善了两种拱坝新体型:殽杂曲线拱坝和二次曲线拱坝,与现有各类拱坝体型对比,具有明显优势,在答允应力沟通条件下,坝体体积可节省10%以上,在体积沟通的条件下,最大应力可降低10%以上。经过最近几年的积极推广,殽杂曲线拱坝已建成的有金龙、奇艺、铜山一级等拱坝,二次曲线拱坝已建成的有下会坑、溪尾、东吴等拱坝,尚有3座在建。由于拱坝体型优化和新体型的推广应用,已建和在建拱坝的累计经验效益达1.89亿元。
(4)完善了拱坝动力优化的数学模型、求解要领和工程应用,首次回收了能量模型。完成了拱坝双方针优化的要领和措施,可同时考虑造价和安详性,并应用于小湾拱坝,对多方针(坝体体积、应力、拉应力区巨细、失效概率等)拱坝优化进行了探索,并对小湾拱坝的多方针优化获得了开端成就。
(5)对周边缝、底缝拱坝进行了详细的三维非线性阐明,深化了对设缝拱坝的认识,并提出了设缝拱坝的优化模型和措施。
(6)通过大量模型试验和非线性有限元阐明,研究了孔口配筋对裂缝开度、深度及拱坝安详度的影响,提出了公道的配筋方法和新的拱坝孔口配筋公式,用钢量可节约25%.
(7)首次提出了地动区高拱坝跨缝配筋的设计准则和计算要领,并结合小湾拱坝进行了阐明。
(8)提出了计算拱坝坝肩不变的三维极限阐明要领,这是基于塑性力学上限解的一种新要领,并体例了相应的电算措施,理论根本较扎实,计算成果较强。
(9)成立了小湾水电站坝址区的水文地质模型,提出了密集排水孔的流量结点分派快速计算要领和带有潜水面的干区虚拟流动的稳定网格有限元阐明要领,研究了地表入渗对边坡不变倒霉的暂态孔隙水压力的变革纪律,提出了小湾拱坝根本渗控部署方案。
(10)回收弹黏塑性理论、三维刚体弹簧元、刚体极限平衡法等多种阐明要领评价小湾和溪洛渡拱坝坝肩在动力和静力条件下的抗滑不变性,搜索出两岸坝肩最小不变安详系数的块体;回收三维弹塑性有限元法和大型地质力学模型,考虑坝址区主要断裂结构以及洞塞、井塞、锚固等加固法子,对小湾拱坝加固前后的整体不变性进行了比拟阐明,得出加固处理惩罚后小湾拱坝的超载能力。
(11)研究了高拱坝沿建基面失稳的粉碎机理,回收线性和非线性有限元要领,对小湾拱坝强度、不变及可能的粉碎形式进行了阐明,得出了小湾拱坝沿建基面有足够的抗滑安详性的结论。
(12)提出了拱坝封拱温度场的两种优化模型,探讨了小湾拱坝最优封拱温度及实施要领。
(13)提出了对拱坝安详度进行宏观评定的两个新的要领;拱坝应力程度系数和安详程度系数,比目前回收的拱坝柔度系数更为公道。
(14)对提高拱坝混凝土强度品级进行了探索,从坝体应力、温度控制、弹性不变、抗地动及质料特性等方面进行阐明后得出结论:适当提高拱坝混凝土强度品级是可行的,并可带来显着经济效益。
(15)改造了Hoek-Brown岩体强度理论,针对含断续节理岩体强度的各向异性特性,推导出m、S的变革纪律,并预测了小湾岩体力学参数,研究了含断续节理岩体的粉碎机理。
(16)全面、深入地研究了拱圈线型,差异的拱圈线型对坝体混凝土体积的影响可达20%~30%,给出了优选拱圈线型要领和措施。
(17)成立了多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构模型;研究了可以反应锚杆(索)加固机理的损伤岩锚柱单位,并按照能量等效原形和变形相容条件推导了岩锚柱单位的弹性损伤系数及损伤岩锚柱单位对岩体刚度的影响。
