高拱壩壩踵真實(shí)工作機(jī)制宏細(xì)觀研究與安全評(píng)價(jià)方法

壩踵區(qū)是決定高拱壩運(yùn)行安全性的一個(gè)重要部位。多拱梁法和有限元分析均表明，壩踵部位是高拱壩的高拉應(yīng)力區(qū)，而我國(guó)多座高拱壩實(shí)際觀測(cè)到較大的壩踵壓應(yīng)力，與計(jì)算結(jié)果相悖。然而，國(guó)內(nèi)外卻不乏由于壩踵開裂而付出慘重代價(jià)的工程實(shí)例。本項(xiàng)目的目標(biāo)是探求高拱壩壩踵的真實(shí)工作機(jī)制，充分掌握其細(xì)宏觀工作性態(tài)，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)壩踵開裂風(fēng)險(xiǎn)?；诖耍卷?xiàng)目建立了混凝土-巖石細(xì)觀數(shù)值模型，可研究混凝土與巖石系統(tǒng)的相互作用損傷演化機(jī)理，研究混凝土-巖石系統(tǒng)力學(xué)性能的自調(diào)整規(guī)律，是高混凝土壩壩基真實(shí)工作性態(tài)研究的基礎(chǔ)模型?？紤]混凝土非均勻性、地基因素、谷幅變形等效應(yīng)，揭示了高拱壩強(qiáng)震破損機(jī)理，為保障高壩工程抗震安全性提供理論和技術(shù)支持。建立了基于真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的混凝土壩真實(shí)性態(tài)仿真分析方法，揭示混凝土壩從施工過程到運(yùn)行期的行為，對(duì)保障大壩安全運(yùn)行有重要意義。提出的水泥基膠凝顆粒料，在土石邊坡、土石壩等水工結(jié)構(gòu)的加固和維護(hù)、提高結(jié)構(gòu)韌性和安全性方面，有廣闊的應(yīng)用前景。發(fā)表學(xué)術(shù)論文14篇，其中SCI收錄論文9篇，授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)。獲得2016年教育部技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，2017年四川省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，2017年中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。獲2019年中國(guó)水力發(fā)電學(xué)會(huì)第七屆水工抗震防災(zāi)學(xué)術(shù)交流會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人入選中國(guó)水利學(xué)會(huì)青年人才助力計(jì)劃，北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助計(jì)劃青年骨干項(xiàng)目。培養(yǎng)畢業(yè)博士研究生2人，碩士研究生5人。 2100433B

壩踵區(qū)是決定高拱壩運(yùn)行安全性的一個(gè)重要部位。多拱梁法和有限元分析均表明，壩踵部位是高拱壩的高拉應(yīng)力區(qū)，而我國(guó)多座高拱壩實(shí)際觀測(cè)到較大的壩踵壓應(yīng)力，與計(jì)算結(jié)果相悖。然而，國(guó)內(nèi)外卻不乏由于壩踵開裂而付出慘重代價(jià)的工程實(shí)例。本項(xiàng)目的目標(biāo)是探求高拱壩壩踵的真實(shí)工作機(jī)制，充分掌握其細(xì)宏觀工作性態(tài)，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)壩踵開裂風(fēng)險(xiǎn)。壩踵工作性態(tài)受施工過程影響，同時(shí)壩踵區(qū)混凝土-基巖力學(xué)性能和混凝土濕脹效應(yīng)也影響其應(yīng)力狀態(tài)。通過物理試驗(yàn)和建立黏結(jié)顆粒元-有限體積耦合數(shù)值模型，從細(xì)觀層面揭示混凝土-巖石體系損傷演化及其自組織受力調(diào)整規(guī)律，研究高壓水環(huán)境下水-砼耦聯(lián)致脹機(jī)理，構(gòu)建基于細(xì)觀機(jī)理的混凝土-巖石損傷本構(gòu)模型。發(fā)展考慮混凝土分倉(cāng)澆筑、封拱灌漿、分期蓄水、溫度變化，以及壩踵混凝土-基巖損傷演化和高壓水-砼致脹效應(yīng)的宏觀仿真方法，計(jì)算壩踵真實(shí)工作性態(tài)，定量分析壩踵開裂狀態(tài)，為高拱壩壩踵安全評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

第一章 概述

1.1 拱壩的發(fā)展

1.2 拱壩分類

1.3 壩址選擇

1.4 設(shè)計(jì)條件

1.5 基本資料

參考文獻(xiàn)

第二章 樞紐布置和泄洪消能

2.1　概述

2.2 拱壩樞紐布置

2.3 拱壩高水頭大流量泄洪

2.4 拱壩消能技術(shù)

2.5 拱壩樞紐的高速水流問題

參考文獻(xiàn)

第三章 拱壩體形設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 拱壩的幾何模型

3.2 拱壩體型的類型

3.3 拱壩的體形設(shè)計(jì)

3.4 拱壩體形的手工設(shè)計(jì)

3.5 拱壩體形的滿應(yīng)力設(shè)計(jì)

3.7 拱壩體形的單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.8 拱壩體形的雙目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.9 拱壩體形的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.10 拱壩的智能優(yōu)化輔助設(shè)計(jì)

3.11 拱壩化中的表態(tài)分析與穩(wěn)定分析

3.12 拱壩優(yōu)化中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析

3.13 拱壩體設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題的討論

3.14 拱壩體形的經(jīng)驗(yàn)性評(píng)估

參考文獻(xiàn)

第四章 拱壩靜態(tài)應(yīng)力分析——結(jié)構(gòu)力學(xué)方法

4.1 概論

4.2 基礎(chǔ)變位計(jì)算

4.3 懸臂梁計(jì)算

4.4. 拱圈計(jì)算

4.5 拱冠梁法

4.6 多拱梁法——五向協(xié)調(diào)

4.7 多拱梁法——四向協(xié)調(diào)

4.8 多拱梁試載法——三向逐步調(diào)整

4.9 多拱梁法——三向協(xié)調(diào)

4.10 泊松比影響的調(diào)整

4.11 混合法

4.12 壩體應(yīng)力計(jì)算

4.13 算例

4.14 影響拱梁徑向荷載分配的因素

4.15 多拱梁法與有限元法的耦合

4.16 非線性多拱梁法

4.17 圓拱彈性穩(wěn)定性

第五章 拱壩靜態(tài)應(yīng)力分析——有限單元法

……

第六章 拱壩動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析和抗震設(shè)計(jì)

第七章 拱壩抗滑穩(wěn)定分析

第八章 拱壩基礎(chǔ)處理

第九章 拱壩溫度控制

第十章 拱壩細(xì)部結(jié)構(gòu)與監(jiān)測(cè)體系

第十一章 特殊拱壩

第十二章 關(guān)于拱壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)和接縫灌漿時(shí)間的研究

參考文獻(xiàn)2100433B

在樞紐布置時(shí)，曾研究過多種壩型，根據(jù)河床與近河床的地質(zhì)情況，最后選定了重力拱壩。

隔河巖壩址為一不對(duì)稱河谷，左岸高程150m以上地形平緩低矮，為了改善修建拱壩的河谷地形和提高下部拱壩高度，避免拱壩頂部重力壩過高，在設(shè)計(jì)中，在左岸壩肩（高程126~138m建基面上）設(shè)置重力墩。重力墩由4個(gè)壩段組成，由于重力墩左段為垂直升船機(jī)，從穩(wěn)定和應(yīng)力條件看，不宜作得過高，只宜承受150m以下拱推力，因此，將高程150m以下的橫縫進(jìn)行灌漿連成整體，承受拱壩推力，高程150m以上的橫縫不灌漿，成為重力壩。重力墩底部尺寸順軸向87m，垂直軸向約81m。河床主體為上重下斜拱式重力拱壩，兩岸為重力壩的綜合壩型。影響兩岸拱座穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面采用阻滑鍵、傳力柱及加強(qiáng)山體內(nèi)部排水等措施進(jìn)行處理。

重力拱壩的封拱高程左岸為150m，河床為180m，右岸為160m，上游壩面采用鉛直圓弧面，外半徑為312m。下游壩坡上部重力壩為1∶0.7，下部重力拱壩為1∶0.5，其間用鉛直線連結(jié)。拱圈平面內(nèi)弧采用三心圓，靠近拱冠部位采用定圓心大半徑等厚圓拱，拱端部位采用變圓心小半徑貼角加厚，壩坡隨之變?yōu)?∶0.75，頂拱中心角80°。

隔河巖重力拱壩體形有如下特殊性：

1、拱壩封拱高程不在壩頂，且封拱高程不在同一高程上，在重力拱壩的上部有一個(gè)較高的重力壩，隨著封拱高程的不同，重力壩的高由26~56m，下部重力拱壩在立面上形成一個(gè)豎向斜拱，這樣，一方面擴(kuò)大了整體聯(lián)合受力作用，另一方面又使結(jié)構(gòu)近乎對(duì)稱。斜拱式結(jié)構(gòu)較封拱高程全為150m的平拱方案，其最大拉應(yīng)力可減少25%~30%，使壩體拉應(yīng)力能滿足規(guī)范要求。

2、拱壩頂拱中心角為80°，比規(guī)范規(guī)定的90°~110°偏小，拱壩設(shè)計(jì)較扁平，這主要是為了適應(yīng)壩身宣泄大流量洪水的要求。隔河巖大壩泄洪流量高達(dá)20000m³/s以上，泄洪時(shí)每米寬度將有17萬kW的能量，若頂中心角大，水流向集中程度加大，能量更趨集中，將會(huì)給下游的消能帶來困難。

3、隔河巖重力拱壩采用三心圓拱，其拱圈平面在中間采用大半徑，兩端采用小半徑，類似拋物拱。這主要也是為改善泄洪條件。隔河巖采用扁平化拱壩，雖然避免了過大的向心水流作用，但使拱座產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)上采用近乎橢圓形的三心圓拱，在拱端處用小半徑貼角加大斷面，既可改善水流的向心問題，又能減小拱座拉應(yīng)力。這種新壩型給設(shè)計(jì)者們帶來了壩體應(yīng)力分析及大壩穩(wěn)定分析更為復(fù)雜與更大的難度，為此，長(zhǎng)江委在設(shè)計(jì)過程做了大量的科學(xué)研究。

陳坤孝主編的《拱壩技術(shù)的研究與應(yīng)用——蓋下壩水電站工程》全書共分12章，主要內(nèi)容包括：拱壩工程技術(shù)研究進(jìn)展綜述，蓋下壩水電站工程簡(jiǎn)介與樞紐布置，拱壩應(yīng)力分析方法，拱壩壩肩穩(wěn)定分析，拱壩抗震安全度評(píng)價(jià)，拱壩體型優(yōu)化設(shè)計(jì)，泄洪消能研究，混凝土配合比試驗(yàn)，拱壩溫控，拱壩施工，拱壩生態(tài)工程措施，以及工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)等。

《拱壩技術(shù)的研究與應(yīng)用——蓋下壩水電站工程》具有較高的實(shí)用價(jià)值，可供水利水電工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、科研等人員使用，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)師生的參考用書。

陳坤孝主編的《拱壩技術(shù)的研究與應(yīng)用——蓋下壩水電站工程》結(jié)合蓋下壩水電站工程拱壩設(shè)計(jì)和施工過程，分別介紹了拱壩技術(shù)發(fā)展、拱壩應(yīng)力分析方法、拱壩壩肩穩(wěn)定、拱壩抗震安全度評(píng)價(jià)、蓋下壩水電站工程樞紐布置、拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)、窄谷拱壩泄洪消能、混凝土配合比試驗(yàn)、拱壩溫控、拱壩施工、拱壩生態(tài)措施及工程安全檢測(cè)設(shè)計(jì)。