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某混凝土高拱壩整體安全度評估

文檔作者：任威威蘇超陳麗2 王璞東文檔來源： 1．河海大學(xué)水利水電學(xué)院 2．沈陽市渾北灌區(qū)管理處，遼寧沈陽 110036；3．遼寧省大伙房水庫管理		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月21日
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第38卷第4期
2012年4月 水力發(fā)電
某混凝土高拱壩整體安全度評估
任威威 ，蘇 超 ，陳 麗2 王璞東。
(1．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098；2．沈陽市渾北灌區(qū)管理處，遼寧沈陽
110036；3．遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧撫順113007)
摘 要：某混凝土雙曲拱壩壩型和地質(zhì)條件較為復(fù)雜。需要開展拱壩結(jié)構(gòu)特性研究，為此，就拱壩在基本荷載組合
和特殊荷載組合下的應(yīng)力、穩(wěn)定狀態(tài)、影響壩體應(yīng)力變形狀態(tài)因素的敏感性和拱壩的超載安全度等進行分析，并采
用三維非線性有限元超載法對拱壩一地基系統(tǒng)的整體安全性進行研究．確定了系統(tǒng)的整體超載安全度。
關(guān)鍵詞：高拱壩：整體安全度；超載法
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
中圖分類號：TV3l1．2；TV642．42 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0559—9342(2012)04—0021—03
0 引言
某拱壩為拋物線型雙曲混凝土拱壩，最大壩高
158 m。壩址河道較順直， 河谷狹窄呈基本對稱的
“V” 形，左岸地形較陡竣， 右岸地形以陡崖為主，
兩岸卸荷巖體不甚發(fā)育， 巖體相對較完整，邊坡巖
體穩(wěn)定。壩址區(qū)內(nèi)出露地層主要為吉岔輝長巖， 塊
狀結(jié)構(gòu)，第四系主要分布于河床、左岸下游地帶等。
地質(zhì)構(gòu)造以節(jié)理裂隙為主，基巖總體為弱透水巖體。
壩區(qū)巖體以表層中等風(fēng)化為主， 岸坡巖體以弱卸荷
松弛為主， 強卸荷松弛巖體僅局部存在。河床覆蓋
層最大厚度為27．0 ITI， 以壩址上游地帶較厚。由于
地質(zhì)條件較為復(fù)雜．設(shè)計需要開展拱壩結(jié)構(gòu)特性研
究，進行安全評價。
拱壩安全性評價[ 卅方法有試驗法l 5】6]、經(jīng)驗判定
法、數(shù)值分析法[7-9]以及結(jié)合其他數(shù)學(xué)理論提出的方
法等。本文采用以非線性有限元分析結(jié)果為基礎(chǔ)的
高拱壩安全度評價方法。主要研究內(nèi)容如下：
(1)建立混凝土拱壩一地基系統(tǒng)三維有限元精細
數(shù)值仿真模型，研究不同計算工況下混凝土拱壩的
應(yīng)力變形特性．分析壩體的安全性和破壞特征。
(2)采用超載法研究拱壩一地基系統(tǒng)的整體安全
性，確定系統(tǒng)的整體超載安全度。
1 計算模型與計算工況
1．1 計算范圍和整體坐標(biāo)系
以壩體坐標(biāo)原點為參考點，上下游方向及橫河
向長度左右各取2倍左右壩高， 豎直方向河床建基
面以下取1．5倍壩高，壩頂以上取80 1TI。
整體坐標(biāo)系 軸指向下游，y軸指向左岸，z
收稿日期：2011-10—24
作者簡介：任威威(1988一)，男， 江蘇徐州人， 碩士研究生
主要從事水工結(jié)構(gòu)的仿真計算．
Water Power Vo1．38 No．4團
小 發(fā)電 zU1z=亡亡4／=J
軸豎直向上，組成右手坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點位于零高
程上。
1．2 網(wǎng)格剖分
雙曲拱壩壩頂高程1 740 in， 壩底高程1 582
113，最大壩高158 1TI。拱最大中心角88．46。，厚高比
為0．231 0，最大倒懸度0．21。
為了更好地模擬壩體，提高應(yīng)力精度，沿拱壩
厚度、高度、長度方向分別剖分成10、56、142層
單元。拱壩與地基系統(tǒng)整體的結(jié)點和單元數(shù)分別為
157 554個和144 248個。此外，有限元數(shù)值模型中
比較真實地模擬了包括F 、F 等斷層在內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)
造特征。絕大部分實體單元是六面體八節(jié)點線性單
元，建基面和斷層采用薄層單元。三維有限元網(wǎng)格
見圖1
Z
Y—
圖1 壩體一壩基整體網(wǎng)格
1．3 材料的屈服準(zhǔn)則
在計算分析中，壩體混凝土采用線彈性本構(gòu)模
型．壩基巖體采用基于Drucker—Prager準(zhǔn)則的彈塑
性本構(gòu)模型，Drucker—Prager準(zhǔn)則的強度參數(shù)按內(nèi)
角點外接圓等效準(zhǔn)則由材料摩擦角和凝聚力求得。
1．4 計算工況與荷載
荷載包括地應(yīng)力、壩白重、水壓力、泥沙壓力、
揚壓力． 并考慮在溫升、溫降下的組合。不同工況
荷載組合見表1。
表1 不同工況合作組合
工況 荷載組合
正常蓄水位+溫升
正常蓄水位+溫降
死水位+溫升
死水位+溫降
上游設(shè)計洪水位+溫升
上游校核洪水位+溫升
注：采用自重應(yīng)力作為壩址區(qū)的地應(yīng)力場。
1．5 材料參數(shù)
(1) 混凝土。壩體混凝土主要為三級配C 9025
和C9o20碾壓混凝土。彈性模量18 GPa， 泊松比
0．167．容重24 kN／m ，線脹系數(shù)10x10 。C。
(2)巖體?；鶐r物理力學(xué)參數(shù)見表2。
圈Water Power Vo1．38 No．4
表2 計算采用的巖體材料參數(shù)
彗霍g／黻g"cm獸t L／．L 薰
中風(fēng)化 2．89 6～8 0．20 0．9—1．0 1．0～1．1 0．9～1 0．9～1．0
微風(fēng)化～新鮮2．95 1O—l2 0．21 1．2—1．3 1．3—1．5 1．1～1．2 1．0～1．1
2 穩(wěn)定分析方法
研究采用超載法[71確定拱壩一地基系統(tǒng)的整體安
全度。本研究中采用水容重超載法進行分析，并在
分析過程將綜合運用如下幾種判據(jù)來確定系統(tǒng)是否
達到極限平衡狀態(tài)。
(1)收斂性判據(jù)。由于整體失穩(wěn)時系統(tǒng)的部分
或全部已處于塑性狀態(tài)，變形迅速增加，而承載力
下降或保持不變。因而，荷載變形曲線在極值點處
切線平行于代表變形坐標(biāo)軸，這在計算上的反映就
是迭代過程不收斂。所以在進行彈塑性分析的過程
中，在排除其他原因之后，確實是由于塑性區(qū)發(fā)展
太大引起的迭代計算不收斂，可以作為系統(tǒng)失穩(wěn)¨o_ 2]
的判據(jù)。
(2)突變性判據(jù)。系統(tǒng)處于極限平衡狀態(tài)表示
它由一種平衡狀態(tài)向另一種平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，也就是
說． 系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生了突變。突變性判據(jù)認為任何
能夠反映系統(tǒng)狀態(tài)突變的現(xiàn)象都可以作為失穩(wěn)判據(jù)。
目前比較常用的有：關(guān)鍵部位的相對位移(應(yīng)變)
或位移突然變大；關(guān)鍵部位的位移速率突然變大；
結(jié)構(gòu)的塑性屈服區(qū)太大，形成滑移通道；外力所作
的功與系統(tǒng)形變勢能不能平衡等。
3 各工況的位移和應(yīng)力
表3、4列出了代表性工況(工況2、6) 下由
有限元分析得到的拱壩位移和主應(yīng)力最大值。
從表3可知， 最大順河向位移發(fā)生在工況2的
拱冠頂部上游側(cè)，為7．28 cm； 最大橫河向位移發(fā)生
在工況6的壩體上游面左側(cè)，為一1．71 cm；最大鉛直
向位移發(fā)生在工況6的拱冠下部下游側(cè)，為一1．77 cm。
從表4可知，上游面的最大主拉、壓應(yīng)力均發(fā)
生在工況2約118壩高的右拱端處， 極值分別為
7．72、17．49 MPa。
為消除有限元計算中出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象， 將
算得的壩體應(yīng)力沿17條特定路徑積分得到截面內(nèi)
力， 并假定應(yīng)力沿壩厚線性分布， 由積分所得的內(nèi)
力計算截面等效應(yīng)力。有限元等效應(yīng)力計算結(jié)果表
明， 在各計算工況下，在所計算各積分路徑上各點
的應(yīng)力通過線性化后，主拉應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在工
況2路徑9的上游面，為1．62 MPa：而主壓應(yīng)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 彈塑性分析壩體的最大位移值及其位置
X 向(順河向)
工位——— ———
況置
／cm
位移 位茬 置 最y大 向(橫河發(fā)向生)
位移／cm 位置
Z向(鉛直向)
最大 發(fā)生
位移／cm 位置
表4 彈塑性分析壩體的主拉和主壓應(yīng)力極值及其位置
最大值出現(xiàn)在工況2路徑1l的下游面，為6．33 MPa。
4 設(shè)計工況下拱壩安全性評價
由表3、4及其分析可知， 宜選擇工況2進行安
全性分析。
假定拱壩超載為水容重按比例增加， 即采用水
容重超載法進行托巴拱壩的整體安全度分析，在正
常荷載(水荷超載系數(shù)K。=1．0)作用后， 以上游水
壓的112為間隔， 開始超載上游水壓，直至計算無
法收斂；而下游水壓力和揚壓力均保持設(shè)計值不變。
在壩體1 582、1 626、1 694、1 740 m 高程處
分別取上、下游面的左拱端、拱冠及右拱端處的6
個結(jié)點作為關(guān)鍵點，分析其位移、上下游對應(yīng)關(guān)鍵
點間的相對位移與水荷超載系數(shù) 的關(guān)系。結(jié)合在
不同超載系數(shù)下，建基面的等效塑性應(yīng)變云圖和3
個高程巖體的等效塑性應(yīng)變分布云圖進行綜合分析。
圖2和圖3給出了兩個典型位移與超載系數(shù)的
關(guān)系曲線。從圖中可以看出， 當(dāng)超載系數(shù)小于6．0
時．各關(guān)鍵點位移、對應(yīng)關(guān)鍵點相對位移的變化過
程都比較平滑， 當(dāng)超載系數(shù)大于6．0時，部分位移
丑
趟
《
測
水荷超載系數(shù)
圖2 1 740 m 高程上游面左拱端位移與超載系數(shù)的關(guān)系曲線
蜀
0。
-o
。．
,
。
5
：
圖3 1 740 m高程左拱端上下游相對位移與超載系數(shù)的關(guān)系曲線
或相對位移的變化過程線發(fā)生突變，在 =6．0處形
成了位移變化的拐點，分析原因為當(dāng)K。>6．0時壩肩
巖體發(fā)生了較大范圍的屈服破壞。
另外．從建基面的等效塑性應(yīng)變云圖和巖體的
等效塑性應(yīng)變分布云圖(限于篇幅， 略)可以得到
以下結(jié)論：
(1)隨著超載系數(shù)的逐漸增大，建基面的塑性
屈服區(qū)自上游逐漸向下游擴展。當(dāng) =6．0時，建基
面的屈服破壞區(qū)上下游貫通．形成了壩體沿建基面
的滑移通道。
(2)隨著超載系數(shù)的逐漸增大，各高程巖體的
屈服破壞區(qū)域也逐漸增大．巖體的破壞區(qū)集中發(fā)生
在壩肩和附近的幾條斷層部位， 當(dāng)K。>6．0時， 壩肩
巖體的屈服區(qū)與斷層部位的屈服區(qū)趨于貫通， 巖體
的承載條件嚴重弱化。
綜合考慮收斂性判據(jù)(當(dāng)K。=8．5時，迭代計算
不收斂)、位移突變以及塑性區(qū)貫通判據(jù)，該拱壩一
地基系統(tǒng)的整體超載安全度為6．0。
5 結(jié)論
水容重超載安全分析表明，隨著上游水荷超載
的增大，拱壩建基面附近的破壞區(qū)逐漸增大， 當(dāng)
K >6．O時， 屈服破壞區(qū)上下游貫通，拱壩部分關(guān)鍵
點的位移或相對位移的變化過程線發(fā)生突變．且壩
肩巖體的屈服區(qū)與斷層部位的屈服區(qū)趨于貫通．據(jù)
此，該拱壩一地基系統(tǒng)的整體超載安全度取為6．0。
參考文獻：
[1] 任青文．高拱壩安全性研究現(xiàn)狀及存在問題分析[J]．水利學(xué)報，
2007，38(9)：1023—1031．
[2] 李同春，王仁坤， 游啟升．高拱壩安全度評價方法研究[J]．水
利學(xué)報，2007(9)：78—83． (下轉(zhuǎn)第38頁)
Water Power Vo1．38 No．4因
小川僅電 ZU12．肆：4Fj
工結(jié)算的基礎(chǔ)上進行工程竣工驗收和項目后評價
竣工驗收是全面檢查和考核合同執(zhí)行情況、檢驗工
程建設(shè)質(zhì)量和投資效益的重要環(huán)節(jié)。工程經(jīng)過驗收
交付使用， 標(biāo)志著投入的建設(shè)資金轉(zhuǎn)為使用價值。
這個階段工程造價咨詢機構(gòu)的業(yè)務(wù)拓展主要有四個
方向。
5．1 竣工決算
竣工決算是建設(shè)單位建設(shè)成果和財務(wù)狀況的總
結(jié)性文件， 是對前期工程投資效果的總結(jié)和評價，
是建設(shè)單位向管理單位移交財產(chǎn)， 考核工程項目投
資的依據(jù)。在正式竣工驗收以前， 編制竣工決算報
告是一項重要工作內(nèi)容。
目前，編制竣工決算的工程以中、小型電站居
多。該項業(yè)務(wù)處于起步階段， 隨著一批大型工程的
即將完工，將有較大的市場空間。
5．2 項目后評價
項目后評價是指對已經(jīng)完成的項目的目的、執(zhí)
行過程、效益、作用和影響等進行系統(tǒng)、客觀地分
析， 以確定項目預(yù)期的目標(biāo)是否達到，項目的規(guī)劃
是否合理， 項目的主要效益指標(biāo)是否實現(xiàn)， 并通過
分析評價找出成敗的原因， 總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)；并通過
及時有效的信息反饋，為未來新項目的決策和管理
提出建議； 同時也為后評價項目的實施運營提出改
進建議，從而達到提高投資效益的目的。
項目后評價業(yè)務(wù)在水電工程界尚未實質(zhì)性開展，
國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會已明文(國資發(fā)規(guī)
劃[20051 92號)要求國有投資項目必須開展后評
價，這項新型業(yè)務(wù)具有十分廣闊的市場空間，是工
程造價機構(gòu)在近年內(nèi)必須開展的重點業(yè)務(wù)之一。
5．3 工程審計
工程審計業(yè)務(wù)包括過程審計和竣工決算審計，
該業(yè)務(wù)具有較大的市場， 是值得開拓的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。
國家對開展審計業(yè)務(wù)的要求：具備一定的造價咨詢
資質(zhì)和一定數(shù)量的注冊造價工程師和注冊會計師。
開展此項業(yè)務(wù)，工程造價咨詢機構(gòu)需要提前做好人
才培養(yǎng)和人力資源儲備。
5．4 司法鑒定
當(dāng)施工企業(yè)和建設(shè)單位的合同糾紛無法通過友
好協(xié)商解決時，必然會采用仲裁或訴訟的方式尋求
解決。各級法院或仲裁委員在缺少相應(yīng)資質(zhì)和能力
水平的人員時，會委托工程造價咨詢機構(gòu)對各類訴
訟或仲裁案件的工程造價、合同爭端等提出評估意
見， 為法院的判決或仲裁庭的裁決提供重要依據(jù)。
這方面的業(yè)務(wù)數(shù)量不多， 收費標(biāo)準(zhǔn)也不高，但對提
升人員素質(zhì)、塑造企業(yè)形象有很好的作用。
6 結(jié)語
水電工程建設(shè)項目一般具有投資大、建設(shè)周期
長、造價計價多次性和層次性等突出特點，造成水
電建設(shè)項目的投資控制難度比較大，合同執(zhí)行過程
中涉及的問題較多，為水電工程造價咨詢提供了廣
闊的市場空間。水電建設(shè)市場的各參與方在不同程
度上都需要專業(yè)機構(gòu)提供工程造價咨詢服務(wù)，這些
參與方構(gòu)成了工程全過程造價咨詢服務(wù)的潛在客戶
群。工程造價咨詢機構(gòu)通過提供專業(yè)咨詢服務(wù)，為
客戶提供技術(shù)支持，創(chuàng)造經(jīng)濟效益，保證客戶利益，
實現(xiàn)客戶的資產(chǎn)增值，從而在形象、聲譽和經(jīng)濟等
方面全面提升工程造價咨詢行業(yè)的價值鏈， 延長工
程造價咨詢機構(gòu)的生命周期。
參考文獻：
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(責(zé)任編輯 陳 萍)
(上接第23頁)
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