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某混凝土高拱坝整体安全度评估

文档作者：任威威苏超陈丽2 王璞东文档来源： 1．河海大学水利水电学院 2．沈阳市浑北灌区管理处，辽宁沈阳 110036；3．辽宁省大伙房水库管理		点击数：	更新时间： 2024年02月21日
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第38卷第4期
2012年4月 水力发电
某混凝土高拱坝整体安全度评估
任威威 ，苏 超 ，陈 丽2 王璞东。
(1．河海大学水利水电学院，江苏南京210098；2．沈阳市浑北灌区管理处，辽宁沈阳
110036；3．辽宁省大伙房水库管理局，辽宁抚顺113007)
摘 要：某混凝土双曲拱坝坝型和地质条件较为复杂。需要开展拱坝结构特性研究，为此，就拱坝在基本荷载组合
和特殊荷载组合下的应力、稳定状态、影响坝体应力变形状态因素的敏感性和拱坝的超载安全度等进行分析，并采
用三维非线性有限元超载法对拱坝一地基系统的整体安全性进行研究．确定了系统的整体超载安全度。
关键词：高拱坝：整体安全度；超载法
Evaluation on Overall Safety Degree of a High Arch Dam
Ren Weiwei ，Su Chao ，Chen Li。，Wang Pudong
(1．College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China；
2．Shenyang Managagement of HunBei Innigation District，Shenynag 1 10036，Liaoning,China；
3．Liaoning Provincial Conservancy of Dahuofang Reservoir,Fushun 1 13007，Liaoning，China)
Abstract：As the complex geological conditions and dam shape，the structural characteristics of a double-curvature arch dam
needs to be studied．Thus，the stress，stability，sensitivity of factors which afecting stress and deformation state，and safety
overload of the dam are analyzed under the action of basic load combinations and special load combinations．Th e overall
safety of dam-foundation system is also studied by the three-dimensional nonlinear finite element overload method，and
finally it is confirm ed．
Key W ords：high arch dam；overall safety degree；overload method
中图分类号：TV3l1．2；TV642．42 文献标识码：A 文章编号：0559—9342(2012)04—0021—03
0 引言
某拱坝为抛物线型双曲混凝土拱坝，最大坝高
158 m。坝址河道较顺直， 河谷狭窄呈基本对称的
“V” 形，左岸地形较陡竣， 右岸地形以陡崖为主，
两岸卸荷岩体不甚发育， 岩体相对较完整，边坡岩
体稳定。坝址区内出露地层主要为吉岔辉长岩， 块
状结构，第四系主要分布于河床、左岸下游地带等。
地质构造以节理裂隙为主，基岩总体为弱透水岩体。
坝区岩体以表层中等风化为主， 岸坡岩体以弱卸荷
松弛为主， 强卸荷松弛岩体仅局部存在。河床覆盖
层最大厚度为27．0 ITI， 以坝址上游地带较厚。由于
地质条件较为复杂．设计需要开展拱坝结构特性研
究，进行安全评价。
拱坝安全性评价[ 卅方法有试验法l 5】6]、经验判定
法、数值分析法[7-9]以及结合其他数学理论提出的方
法等。本文采用以非线性有限元分析结果为基础的
高拱坝安全度评价方法。主要研究内容如下：
(1)建立混凝土拱坝一地基系统三维有限元精细
数值仿真模型，研究不同计算工况下混凝土拱坝的
应力变形特性．分析坝体的安全性和破坏特征。
(2)采用超载法研究拱坝一地基系统的整体安全
性，确定系统的整体超载安全度。
1 计算模型与计算工况
1．1 计算范围和整体坐标系
以坝体坐标原点为参考点，上下游方向及横河
向长度左右各取2倍左右坝高， 竖直方向河床建基
面以下取1．5倍坝高，坝顶以上取80 1TI。
整体坐标系 轴指向下游，y轴指向左岸，z
收稿日期：2011-10—24
作者简介：任威威(1988一)，男， 江苏徐州人， 硕士研究生
主要从事水工结构的仿真计算．
Water Power Vo1．38 No．4团
小 发电 zU1z=亡亡4／=J
轴竖直向上，组成右手坐标系。坐标原点位于零高
程上。
1．2 网格剖分
双曲拱坝坝顶高程1 740 in， 坝底高程1 582
113，最大坝高158 1TI。拱最大中心角88．46。，厚高比
为0．231 0，最大倒悬度0．21。
为了更好地模拟坝体，提高应力精度，沿拱坝
厚度、高度、长度方向分别剖分成10、56、142层
单元。拱坝与地基系统整体的结点和单元数分别为
157 554个和144 248个。此外，有限元数值模型中
比较真实地模拟了包括F 、F 等断层在内的地质构
造特征。绝大部分实体单元是六面体八节点线性单
元，建基面和断层采用薄层单元。三维有限元网格
见图1
Z
Y—
图1 坝体一坝基整体网格
1．3 材料的屈服准则
在计算分析中，坝体混凝土采用线弹性本构模
型．坝基岩体采用基于Drucker—Prager准则的弹塑
性本构模型，Drucker—Prager准则的强度参数按内
角点外接圆等效准则由材料摩擦角和凝聚力求得。
1．4 计算工况与荷载
荷载包括地应力、坝白重、水压力、泥沙压力、
扬压力． 并考虑在温升、温降下的组合。不同工况
荷载组合见表1。
表1 不同工况合作组合
工况 荷载组合
正常蓄水位+温升
正常蓄水位+温降
死水位+温升
死水位+温降
上游设计洪水位+温升
上游校核洪水位+温升
注：采用自重应力作为坝址区的地应力场。
1．5 材料参数
(1) 混凝土。坝体混凝土主要为三级配C 9025
和C9o20碾压混凝土。弹性模量18 GPa， 泊松比
0．167．容重24 kN／m ，线胀系数10x10 。C。
(2)岩体。基岩物理力学参数见表2。
圈Water Power Vo1．38 No．4
表2 计算采用的岩体材料参数
彗霍g／黻g"cm兽t L／．L 薰
中风化 2．89 6～8 0．20 0．9—1．0 1．0～1．1 0．9～1 0．9～1．0
微风化～新鲜2．95 1O—l2 0．21 1．2—1．3 1．3—1．5 1．1～1．2 1．0～1．1
2 稳定分析方法
研究采用超载法[71确定拱坝一地基系统的整体安
全度。本研究中采用水容重超载法进行分析，并在
分析过程将综合运用如下几种判据来确定系统是否
达到极限平衡状态。
(1)收敛性判据。由于整体失稳时系统的部分
或全部已处于塑性状态，变形迅速增加，而承载力
下降或保持不变。因而，荷载变形曲线在极值点处
切线平行于代表变形坐标轴，这在计算上的反映就
是迭代过程不收敛。所以在进行弹塑性分析的过程
中，在排除其他原因之后，确实是由于塑性区发展
太大引起的迭代计算不收敛，可以作为系统失稳¨o_ 2]
的判据。
(2)突变性判据。系统处于极限平衡状态表示
它由一种平衡状态向另一种平衡状态转变，也就是
说． 系统的状态发生了突变。突变性判据认为任何
能够反映系统状态突变的现象都可以作为失稳判据。
目前比较常用的有：关键部位的相对位移(应变)
或位移突然变大；关键部位的位移速率突然变大；
结构的塑性屈服区太大，形成滑移通道；外力所作
的功与系统形变势能不能平衡等。
3 各工况的位移和应力
表3、4列出了代表性工况(工况2、6) 下由
有限元分析得到的拱坝位移和主应力最大值。
从表3可知， 最大顺河向位移发生在工况2的
拱冠顶部上游侧，为7．28 cm； 最大横河向位移发生
在工况6的坝体上游面左侧，为一1．71 cm；最大铅直
向位移发生在工况6的拱冠下部下游侧，为一1．77 cm。
从表4可知，上游面的最大主拉、压应力均发
生在工况2约118坝高的右拱端处， 极值分别为
7．72、17．49 MPa。
为消除有限元计算中出现的应力集中现象， 将
算得的坝体应力沿17条特定路径积分得到截面内
力， 并假定应力沿坝厚线性分布， 由积分所得的内
力计算截面等效应力。有限元等效应力计算结果表
明， 在各计算工况下，在所计算各积分路径上各点
的应力通过线性化后，主拉应力的最大值出现在工
况2路径9的上游面，为1．62 MPa：而主压应力的
第38卷弟4剽 1士威威，寺：呆琨殿工局 銎1令女芏J曼 1由
表3 弹塑性分析坝体的最大位移值及其位置
X 向(顺河向)
工位——— ———
况置
／cm
位移 位茬 置 最y大 向(横河发向生)
位移／cm 位置
Z向(铅直向)
最大 发生
位移／cm 位置
表4 弹塑性分析坝体的主拉和主压应力极值及其位置
最大值出现在工况2路径1l的下游面，为6．33 MPa。
4 设计工况下拱坝安全性评价
由表3、4及其分析可知， 宜选择工况2进行安
全性分析。
假定拱坝超载为水容重按比例增加， 即采用水
容重超载法进行托巴拱坝的整体安全度分析，在正
常荷载(水荷超载系数K。=1．0)作用后， 以上游水
压的112为间隔， 开始超载上游水压，直至计算无
法收敛；而下游水压力和扬压力均保持设计值不变。
在坝体1 582、1 626、1 694、1 740 m 高程处
分别取上、下游面的左拱端、拱冠及右拱端处的6
个结点作为关键点，分析其位移、上下游对应关键
点间的相对位移与水荷超载系数 的关系。结合在
不同超载系数下，建基面的等效塑性应变云图和3
个高程岩体的等效塑性应变分布云图进行综合分析。
图2和图3给出了两个典型位移与超载系数的
关系曲线。从图中可以看出， 当超载系数小于6．0
时．各关键点位移、对应关键点相对位移的变化过
程都比较平滑， 当超载系数大于6．0时，部分位移
丑
趟
《
测
水荷超载系数
图2 1 740 m 高程上游面左拱端位移与超载系数的关系曲线
蜀
0。
-o
。．
,
。
5
：
图3 1 740 m高程左拱端上下游相对位移与超载系数的关系曲线
或相对位移的变化过程线发生突变，在 =6．0处形
成了位移变化的拐点，分析原因为当K。>6．0时坝肩
岩体发生了较大范围的屈服破坏。
另外．从建基面的等效塑性应变云图和岩体的
等效塑性应变分布云图(限于篇幅， 略)可以得到
以下结论：
(1)随着超载系数的逐渐增大，建基面的塑性
屈服区自上游逐渐向下游扩展。当 =6．0时，建基
面的屈服破坏区上下游贯通．形成了坝体沿建基面
的滑移通道。
(2)随着超载系数的逐渐增大，各高程岩体的
屈服破坏区域也逐渐增大．岩体的破坏区集中发生
在坝肩和附近的几条断层部位， 当K。>6．0时， 坝肩
岩体的屈服区与断层部位的屈服区趋于贯通， 岩体
的承载条件严重弱化。
综合考虑收敛性判据(当K。=8．5时，迭代计算
不收敛)、位移突变以及塑性区贯通判据，该拱坝一
地基系统的整体超载安全度为6．0。
5 结论
水容重超载安全分析表明，随着上游水荷超载
的增大，拱坝建基面附近的破坏区逐渐增大， 当
K >6．O时， 屈服破坏区上下游贯通，拱坝部分关键
点的位移或相对位移的变化过程线发生突变．且坝
肩岩体的屈服区与断层部位的屈服区趋于贯通．据
此，该拱坝一地基系统的整体超载安全度取为6．0。
参考文献：
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Water Power Vo1．38 No．4因
小川仅电 ZU12．肆：4Fj
工结算的基础上进行工程竣工验收和项目后评价
竣工验收是全面检查和考核合同执行情况、检验工
程建设质量和投资效益的重要环节。工程经过验收
交付使用， 标志着投入的建设资金转为使用价值。
这个阶段工程造价咨询机构的业务拓展主要有四个
方向。
5．1 竣工决算
竣工决算是建设单位建设成果和财务状况的总
结性文件， 是对前期工程投资效果的总结和评价，
是建设单位向管理单位移交财产， 考核工程项目投
资的依据。在正式竣工验收以前， 编制竣工决算报
告是一项重要工作内容。
目前，编制竣工决算的工程以中、小型电站居
多。该项业务处于起步阶段， 随着一批大型工程的
即将完工，将有较大的市场空间。
5．2 项目后评价
项目后评价是指对已经完成的项目的目的、执
行过程、效益、作用和影响等进行系统、客观地分
析， 以确定项目预期的目标是否达到，项目的规划
是否合理， 项目的主要效益指标是否实现， 并通过
分析评价找出成败的原因， 总结经验教训；并通过
及时有效的信息反馈，为未来新项目的决策和管理
提出建议； 同时也为后评价项目的实施运营提出改
进建议，从而达到提高投资效益的目的。
项目后评价业务在水电工程界尚未实质性开展，
国务院国有资产监督管理委员会已明文(国资发规
划[20051 92号)要求国有投资项目必须开展后评
价，这项新型业务具有十分广阔的市场空间，是工
程造价机构在近年内必须开展的重点业务之一。
5．3 工程审计
工程审计业务包括过程审计和竣工决算审计，
该业务具有较大的市场， 是值得开拓的业务领域。
国家对开展审计业务的要求：具备一定的造价咨询
资质和一定数量的注册造价工程师和注册会计师。
开展此项业务，工程造价咨询机构需要提前做好人
才培养和人力资源储备。
5．4 司法鉴定
当施工企业和建设单位的合同纠纷无法通过友
好协商解决时，必然会采用仲裁或诉讼的方式寻求
解决。各级法院或仲裁委员在缺少相应资质和能力
水平的人员时，会委托工程造价咨询机构对各类诉
讼或仲裁案件的工程造价、合同争端等提出评估意
见， 为法院的判决或仲裁庭的裁决提供重要依据。
这方面的业务数量不多， 收费标准也不高，但对提
升人员素质、塑造企业形象有很好的作用。
6 结语
水电工程建设项目一般具有投资大、建设周期
长、造价计价多次性和层次性等突出特点，造成水
电建设项目的投资控制难度比较大，合同执行过程
中涉及的问题较多，为水电工程造价咨询提供了广
阔的市场空间。水电建设市场的各参与方在不同程
度上都需要专业机构提供工程造价咨询服务，这些
参与方构成了工程全过程造价咨询服务的潜在客户
群。工程造价咨询机构通过提供专业咨询服务，为
客户提供技术支持，创造经济效益，保证客户利益，
实现客户的资产增值，从而在形象、声誉和经济等
方面全面提升工程造价咨询行业的价值链， 延长工
程造价咨询机构的生命周期。
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(责任编辑 陈 萍)
(上接第23页)
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