300m级高拱坝结构问题研究

300m级高拱坝结构问题研究（96－221－04）是“九五”国家重点科技攻关项目“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，均超过了目前世界最高的格鲁吉亚英古里拱坝（高272m）。本课题包括3个专题：①高拱坝应力控制标准研究；②高拱坝新型合理体型的研究和应用；③高拱坝坝基抗滑稳定研究。现将主要成果分述如下：
（1）用三维有限元法模拟大坝施工和运行过程，系统地分析了常规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化引起的初应力、横缝不抗拉、施工过程、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国内外十余座已建高拱坝进行了详细应力分析，研究了不同计算方法、不同计算软件、不同网格形式对拱坝应力的影响。对国内外已建的66座高拱坝的计算应力、实测应力和变位、应力控制标准、混凝土力学特性、实际运行情况及各国现行拱坝设计规范进行了整理和综合分析，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种因素对高拱坝应力状态的影响，为制定新的拱坝应力控制标准奠定了基础。
（2）现行拱坝应力控制标准存在不少缺点，如应力控制标准与建筑物重要性无关、允许拉应力与混凝土强度无关、不同计算方法和不同计算软件算出的应力数值相差较大，但允许应力值是相同的，缺乏有限元法的应力控制标准等。在总结国内外拱坝建设实践经验的基础上，结合理论分析，提出了一套新的高拱坝应力控制标准，克服了现行拱坝设计规范中的缺点，允许应力与建筑物重要性和混凝土强度挂钩，给出了有限元法、拱梁分载法及不同软件的允许应力，反映了国内外拱坝建设的实践经验和科技进步，计算简单，与已有工程对比，也切实可行。
（3）提出并完善了两种拱坝新体型：混合曲线拱坝和二次曲线拱坝，与现有各种拱坝体型相比，具有明显优势，在允许应力相同条件下，坝体体积可节省10%以上，在体积相同的条件下，最大应力可降低10%以上。经过最近几年的积极推广，混合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、求解方法和工程应用，首次采用了能量模型。完成了拱坝双目标优化的方法和程序，可同时考虑造价和安全性，并应用于小湾拱坝，对多目标（坝体体积、应力、拉应力区大小、失效概率等）拱坝优化进行了探索，并对小湾拱坝的多目标优化得到了初步成果。
（5）对周边缝、底缝拱坝进行了详细的三维非线性分析，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程序。
（6）通过大量模型试验和非线性有限元分析，研究了孔口配筋对裂缝开度、深度及拱坝安全度的影响，提出了合理的配筋方式和新的拱坝孔口配筋公式，用钢量可节约25%.
（7）首次提出了地震区高拱坝跨缝配筋的设计准则和计算方法，并结合小湾拱坝进行了分析。
（8）提出了计算拱坝坝肩稳定的三维极限分析方法，这是基于塑性力学上限解的一种新方法，并编制了相应的电算程序，理论基础较扎实，计算功能较强。
（9）建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配快速计算方法和带有潜水面的干区虚拟流动的不变网格有限元分析方法，研究了地表入渗对边坡稳定不利的暂态孔隙水压力的变化规律，提出了小湾拱坝基础渗控布置方案。
（10）采用弹黏塑性理论、三维刚体弹簧元、刚体极限平衡法等多种分析方法评价小湾和溪洛渡拱坝坝肩在动力和静力条件下的抗滑稳定性，搜索出两岸坝肩最小稳定安全系数的块体；采用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构造以及洞塞、井塞、锚固等加固措施，对小湾拱坝加固前后的整体稳定性进行了对比分析，得出加固处理后小湾拱坝的超载能力。
（11）研究了高拱坝沿建基面失稳的破坏机理，采用线性和非线性有限元方法，对小湾拱坝强度、稳定及可能的破坏形式进行了分析，得出了小湾拱坝沿建基面有足够的抗滑安全性的结论。
（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方法。
（13）提出了对拱坝安全度进行宏观评定的两个新的方法；拱坝应力水平系数和安全水平系数，比目前采用的拱坝柔度系数更为合理。
（14）对提高拱坝混凝土强度等级进行了探索，从坝体应力、温度控制、弹性稳定、抗地震及材料特性等方面进行分析后得出结论：适当提高拱坝混凝土强度等级是可行的，并可带来显著经济效益。
（15）改进了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的变化规律，并预测了小湾岩体力学参数，研究了含断续节理岩体的破坏机理。
（16）全面、深入地研究了拱圈线型，不同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方法和程序。
（17）建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；研究了可以反映锚杆（索）加固机理的损伤岩锚柱单元，并根据能量等效原形和变形相容条件推导了岩锚柱单元的弹性损伤系数及损伤岩锚柱单元对岩体刚度的影响。