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混凝土坝安全评估与监控方法的改进

		点击数：	更新时间： 2024年02月21日
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混凝土坝安全评估与监控方法的改进
当前矛盾：
    建坝规模、高度空前
    安全评估方法：陈旧
        重力坝，材料力学方法
        拱坝，多拱梁法
        抗滑稳定，刚体极限平衡
    70年前老方法
1.仪器观测不能给出应力场和安全系数
1.1 仪器测点太少

总       共：20坝段
观测剖面：3个（应变计，温度，渗压计）
无  测  点：17个
1
2
3
3层，每层3~4测点
每点：3、5、7向应变计
水工结构书本：应力简单
实际应力：复杂
原        因：分层施工
                    温度变化
观测剖面应变计测点
图1    景洪重力坝三维
          仿真计算第一主
          应力包络图（MPa）
图2    陈村重力坝18坝段
          顺河剖面第一主应
         力包络图（MPa）
1.2  应变计有效率较低
    因素：仪器埋设
               基准值取值
               自生体积变形
               仪器维护
               运行期，应变计有效率较低
每点6个应力分量，需6个应变分量反算
       7个应变计，坏2支，算不出6个应力分量
小结：
   （1）应变计：很难测出应力场全貌
                             不能给出安全系数
            作     用：监控
                             校核
   （2）可用观测资料：变位，温度，场压力
                   不能给出大坝应力场、安全系数
   （3）安全系数计算：设计规范方法
2. 目前采用的安全评估方法
重力坝应力——材料力学法
拱坝应力——拱梁分载法
抗滑稳定——刚体极限平衡法
七、八十年以前的老方法
  优点：积累了一定实用经验
   缺点：不能反映真实应力状态
2.1  现行安全评估方法的缺点
（1）没有考虑：施工温度应力、施工过程
（2）只  考  虑：坝面水压力
         未  考  虑：地基水荷载、地应力、
                             基础开挖、处理
（3）抗滑稳定：只考虑力的平衡  
                             未考虑应力状态、坝与基础相互影
（4）拱梁分载法采用Vogt系数，太粗糙
         不能考虑渗流、地应力、断层、节理
（5）忽略了非线性温差
（6）不能考虑非线性变形、裂缝、接缝影响
评估结果：脱离实际
        有的工程：质量很差，问题很多
        评估结果：安全系数相当大
3.全坝全过程有限元仿真的安全评估
(1) 力学特性：弹性变形、徐变、非线性变形
(2) 屈服准则：混凝土—五参数准则
                          岩    体—带抗拉强度的Druker-Prager准则
                          节理、接缝——Mohr-Coulumb准则
(3)全坝仿真：拱坝全部坝段，重力坝单个坝段
(4)全过程仿真：开工—施工—运行
                             气候变化、温度控制、接缝开合、裂缝、
                             地应力、施工质量
(5) 荷载：自重、温度、水压力、渗流场、地应力
(6) 反分析：充分利用观测资料反算材料热学、力学参数
(7) 安全评估：超载或降强，非线性计算至破坏，安全系数

全过程有限元仿真安全评估特点
充分反映实际情况

充分利用观测资料

安全评估结果符合实际
基于全过程仿真的安全评估与监控

设计阶段：考虑施工过程

施工阶段：全坝、全过程仿真

运行阶段：反分析+全坝全过程仿真
设计阶段
1.优化设计方案
   反映：各种复杂因素
               施工过程
2.避免事故
       梅花坝
       响水坝
       柯茵布兰坝
       托拉坝
施工阶段

1.了解施工期温度场、应力场

2.预报运行期应力场

3.发现问题，及时处理
运行阶段

安全评估切合实际
陈村拱坝
陈村拱坝：
坝高76.3m，弧长419m，28个坝段
施工：1958～1962
           1968～1972完工
           1978 加高1.3m
缺乏温控，未冷却即灌缝
水平裂缝：高程105m，长300m，深>5m
                    高程111.5m，长200m，深>10m
坝顶竖向裂缝：深>8m
基础：4条大断层
图7.1.2  陈村大坝整坝网格示意图 
图7.1.4  陈村拱坝横缝、施工缝、坝体裂缝单元示意图 
图7.3.1  夏季上游面主应力分布云图（单位：t/m2） 
图7.3.2  夏季下游面主应力分布云图（单位：t/m2） 
图7.3.3  夏季坝体剖面σ1应力分布云图（单位：t/m2） 
图7.3.4  冬季上游面主应力分布云图（单位：t/m2） 
图7.3.5  冬季下游面主应力分布云图（单位：t/m2） 
图7.3.6  冬季坝体剖面应力分布云图（单位：t/m2） 
图8  18坝段坝顶径向位移计算值与实测值比较图 
图11.3.35  考虑初应力冬季水压超载结构破坏时上游面损坏分布图 
图11.3.36  考虑初应力冬季水压超载结构破坏时下游面损坏分布图 
 (a) 11坝段                  (b) 18坝段                   (c) 21坝段

图11.3.37  考虑初应力冬季水压超载结构破坏时
11、18、21坝段剖面损坏分布图 
超载系数：
    考虑应力历史：冬季 1.80
                                夏季 1.91
    不考虑应力历史：2.17
    常规多拱梁计算：压应力安全系数12.34

丰满重力坝
丰满重力坝：
坝高91.7m，全长1080m
1937—1945，浇89%
1948—1953，复建
无冷却
纵缝未灌浆，220m以上无键槽
施工质量低
裂缝多
?
176
?
267.7m
?
176
?
267.7m
47坝段施工期温度和应力结果（℃ ）
施工期最大温度包络图（℃ ）                      施工期第一主应力包络图 (t/m2 )
运行期温度场
1990-2005年最低温度包络图(负温)

下游面负温区水平向深约4.5m
运行期夏季第一主应力等值线
坝体内部出现拉应力区， 
纵缝及施工缝缝面局部拉应力0.2MPa。
运行期冬季第一主应力等值线
坝体表层混凝土受拉， 
局部区域拉应力0.8MPa。
纵缝面开合状态
            
冬季
夏季
纵缝在靠近下游面区域冬季张开、夏季闭合，坝体内部区域处于大范围（70%）的张开状态。大面积纵缝的张开使坝体受力条件恶化，整个大坝不能整体受力，对坝体整体性和安全不利。

设计水位＋地震
 纵缝缝面大面积受拉
 坝踵出现大面积拉应力区，
 最大拉应力值约1.0MPa
 坝体表层混凝土受拉。
 坝踵出现大面积拉应力区，
 最大拉应力值达1.2MPa
温升
温降
按规范计算：
材料力学方法：无拉应力
常规有限元：拉应力深度为底宽的0.02倍
                        规范<0.07倍
抗滑稳定：K?=2.82
                    规范K=3.0
全过程仿真计算，最后超载
 考虑应力历史：超载系数k=1.1(冬季)， 
      1.14(夏季)
(2)  不考虑应力历史：k=1.67
(3) 下游加厚4m，k=2.33
(4) 严格温控，有键槽，灌浆，质量良好
                               k=3.26

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