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某混凝土高拱壩整體安全度評(píng)估

文檔作者：任威威蘇超陳麗2 王璞東文檔來(lái)源： 1．河海大學(xué)水利水電學(xué)院 2．沈陽(yáng)市渾北灌區(qū)管理處，遼寧沈陽(yáng) 110036；3．遼寧省大伙房水庫(kù)管理		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(píng)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(yáng)市渾北灌區(qū)管理處，遼寧沈陽(yáng)
110036；3．遼寧省大伙房水庫(kù)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(kāi)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(jìn)行分析，并采
用三維非線性有限元超載法對(duì)拱壩一地基系統(tǒng)的整體安全性進(jìn)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(lèi)號(hào)：TV3l1．2；TV642．42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)稱(chēng)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(duì)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(zhǎng)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(qiáng)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(jì)需要開(kāi)展拱壩結(jié)構(gòu)特性研
究，進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。
拱壩安全性評(píng)價(jià)[ 卅方法有試驗(yàn)法l 5】6]、經(jīng)驗(yàn)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(píng)價(jià)方法。主要研究?jī)?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(xì)
數(shù)值仿真模型，研究不同計(jì)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(jì)算模型與計(jì)算工況
1．1 計(jì)算范圍和整體坐標(biāo)系
以壩體坐標(biāo)原點(diǎn)為參考點(diǎn)，上下游方向及橫河
向長(zhǎng)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(jiǎn)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(jì)算．
Water Power Vo1．38 No．4團(tuán)
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(diǎn)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(zhǎng)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(diǎn)和單元數(shù)分別為
157 554個(gè)和144 248個(gè)。此外，有限元數(shù)值模型中
比較真實(shí)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(shí)體單元是六面體八節(jié)點(diǎn)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(jiàn)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(jì)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(qiáng)度參數(shù)按內(nèi)
角點(diǎn)外接圓等效準(zhǔn)則由材料摩擦角和凝聚力求得。
1．4 計(jì)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(yáng)壓力． 并考慮在溫升、溫降下的組合。不同工況
荷載組合見(jiàn)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(jì)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(chǎng)。
1．5 材料參數(shù)
(1) 混凝土。壩體混凝土主要為三級(jí)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(jiàn)表2。
圈Water Power Vo1．38 No．4
表2 計(jì)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(jìn)行分析，并在
分析過(guò)程將綜合運(yùn)用如下幾種判據(jù)來(lái)確定系統(tǒng)是否
達(dá)到極限平衡狀態(tài)。
(1)收斂性判據(jù)。由于整體失穩(wěn)時(shí)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(diǎn)處
切線平行于代表變形坐標(biāo)軸，這在計(jì)算上的反映就
是迭代過(guò)程不收斂。所以在進(jìn)行彈塑性分析的過(guò)程
中，在排除其他原因之后，確實(shí)是由于塑性區(qū)發(fā)展
太大引起的迭代計(jì)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(shuō)． 系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生了突變。突變性判據(jù)認(rèn)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(duì)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(shì)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(jì)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(jì)算截面等效應(yīng)力。有限元等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表
明， 在各計(jì)算工況下，在所計(jì)算各積分路徑上各點(diǎn)
的應(yīng)力通過(guò)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(jì)工況下拱壩安全性評(píng)價(jià)
由表3、4及其分析可知， 宜選擇工況2進(jìn)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(jìn)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(kāi)始超載上游水壓，直至計(jì)算無(wú)
法收斂；而下游水壓力和揚(yáng)壓力均保持設(shè)計(jì)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(gè)結(jié)點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)，分析其位移、上下游對(duì)應(yīng)關(guān)鍵
點(diǎn)間的相對(duì)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?cè)茍D和3
個(gè)高程巖體的等效塑性應(yīng)變分布云圖進(jìn)行綜合分析。
圖2和圖3給出了兩個(gè)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(shí)．各關(guān)鍵點(diǎn)位移、對(duì)應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)相對(duì)位移的變化過(guò)
程都比較平滑， 當(dāng)超載系數(shù)大于6．0時(shí)，部分位移
丑
趟
《
測(cè)
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。
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。．
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5
：
圖3 1 740 m高程左拱端上下游相對(duì)位移與超載系數(shù)的關(guān)系曲線
或相對(duì)位移的變化過(guò)程線發(fā)生突變，在 =6．0處形
成了位移變化的拐點(diǎn)，分析原因?yàn)楫?dāng)K。>6．0時(shí)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?cè)茍D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(kuò)展。當(dāng) =6．0時(shí)，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(shí)， 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(yán)重弱化。
綜合考慮收斂性判據(jù)(當(dāng)K。=8．5時(shí)，迭代計(jì)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(shí)， 屈服破壞區(qū)上下游貫通，拱壩部分關(guān)鍵
點(diǎn)的位移或相對(duì)位移的變化過(guò)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(xiàn)：
[1] 任青文．高拱壩安全性研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題分析[J]．水利學(xué)報(bào)，
2007，38(9)：1023—1031．
[2] 李同春，王仁坤， 游啟升．高拱壩安全度評(píng)價(jià)方法研究[J]．水
利學(xué)報(bào)，2007(9)：78—83． (下轉(zhuǎn)第38頁(yè))
Water Power Vo1．38 No．4因
小川僅電 ZU12．肆：4Fj
工結(jié)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程竣工驗(yàn)收和項(xiàng)目后評(píng)價(jià)
竣工驗(yàn)收是全面檢查和考核合同執(zhí)行情況、檢驗(yàn)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(guò)驗(yàn)收
交付使用， 標(biāo)志著投入的建設(shè)資金轉(zhuǎn)為使用價(jià)值。
這個(gè)階段工程造價(jià)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)拓展主要有四個(gè)
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(cái)務(wù)狀況的總
結(jié)性文件， 是對(duì)前期工程投資效果的總結(jié)和評(píng)價(jià)，
是建設(shè)單位向管理單位移交財(cái)產(chǎn)， 考核工程項(xiàng)目投
資的依據(jù)。在正式竣工驗(yàn)收以前， 編制竣工決算報(bào)
告是一項(xiàng)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(xiàng)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(chǎng)空間。
5．2 項(xiàng)目后評(píng)價(jià)
項(xiàng)目后評(píng)價(jià)是指對(duì)已經(jīng)完成的項(xiàng)目的目的、執(zhí)
行過(guò)程、效益、作用和影響等進(jìn)行系統(tǒng)、客觀地分
析， 以確定項(xiàng)目預(yù)期的目標(biāo)是否達(dá)到，項(xiàng)目的規(guī)劃
是否合理， 項(xiàng)目的主要效益指標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)， 并通過(guò)
分析評(píng)價(jià)找出成敗的原因， 總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)；并通過(guò)
及時(shí)有效的信息反饋，為未來(lái)新項(xiàng)目的決策和管理
提出建議； 同時(shí)也為后評(píng)價(jià)項(xiàng)目的實(shí)施運(yùn)營(yíng)提出改
進(jìn)建議，從而達(dá)到提高投資效益的目的。
項(xiàng)目后評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)在水電工程界尚未實(shí)質(zhì)性開(kāi)展，
國(guó)務(wù)院國(guó)有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)已明文(國(guó)資發(fā)規(guī)
劃[20051 92號(hào))要求國(guó)有投資項(xiàng)目必須開(kāi)展后評(píng)
價(jià)，這項(xiàng)新型業(yè)務(wù)具有十分廣闊的市場(chǎng)空間，是工
程造價(jià)機(jī)構(gòu)在近年內(nèi)必須開(kāi)展的重點(diǎn)業(yè)務(wù)之一。
5．3 工程審計(jì)
工程審計(jì)業(yè)務(wù)包括過(guò)程審計(jì)和竣工決算審計(jì)，
該業(yè)務(wù)具有較大的市場(chǎng)， 是值得開(kāi)拓的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。
國(guó)家對(duì)開(kāi)展審計(jì)業(yè)務(wù)的要求：具備一定的造價(jià)咨詢(xún)
資質(zhì)和一定數(shù)量的注冊(cè)造價(jià)工程師和注冊(cè)會(huì)計(jì)師。
開(kāi)展此項(xiàng)業(yè)務(wù)，工程造價(jià)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)需要提前做好人
才培養(yǎng)和人力資源儲(chǔ)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(wú)法通過(guò)友
好協(xié)商解決時(shí)，必然會(huì)采用仲裁或訴訟的方式尋求
解決。各級(jí)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(shí)，會(huì)委托工程造價(jià)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)對(duì)各類(lèi)訴
訟或仲裁案件的工程造價(jià)、合同爭(zhēng)端等提出評(píng)估意
見(jiàn)， 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(fèi)標(biāo)準(zhǔn)也不高，但對(duì)提
升人員素質(zhì)、塑造企業(yè)形象有很好的作用。
6 結(jié)語(yǔ)
水電工程建設(shè)項(xiàng)目一般具有投資大、建設(shè)周期
長(zhǎng)、造價(jià)計(jì)價(jià)多次性和層次性等突出特點(diǎn)，造成水
電建設(shè)項(xiàng)目的投資控制難度比較大，合同執(zhí)行過(guò)程
中涉及的問(wèn)題較多，為水電工程造價(jià)咨詢(xún)提供了廣
闊的市場(chǎng)空間。水電建設(shè)市場(chǎng)的各參與方在不同程
度上都需要專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)提供工程造價(jià)咨詢(xún)服務(wù)，這些
參與方構(gòu)成了工程全過(guò)程造價(jià)咨詢(xún)服務(wù)的潛在客戶
群。工程造價(jià)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)通過(guò)提供專(zhuān)業(yè)咨詢(xún)服務(wù)，為
客戶提供技術(shù)支持，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，保證客戶利益，
實(shí)現(xiàn)客戶的資產(chǎn)增值，從而在形象、聲譽(yù)和經(jīng)濟(jì)等
方面全面提升工程造價(jià)咨詢(xún)行業(yè)的價(jià)值鏈， 延長(zhǎng)工
程造價(jià)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)的生命周期。
參考文獻(xiàn)：
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(責(zé)任編輯 陳 萍)
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