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混凝土壩安全評(píng)估與監(jiān)控方法的改進(jìn)

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混凝土壩安全評(píng)估與監(jiān)控方法的改進(jìn)
當(dāng)前矛盾：
    建壩規(guī)模、高度空前
    安全評(píng)估方法：陳舊
        重力壩，材料力學(xué)方法
        拱壩，多拱梁法
        抗滑穩(wěn)定，剛體極限平衡
    70年前老方法
1.儀器觀測(cè)不能給出應(yīng)力場(chǎng)和安全系數(shù)
1.1 儀器測(cè)點(diǎn)太少

總       共：20壩段
觀測(cè)剖面：3個(gè)（應(yīng)變計(jì)，溫度，滲壓計(jì)）
無(wú)  測(cè)  點(diǎn)：17個(gè)
1
2
3
3層，每層3~4測(cè)點(diǎn)
每點(diǎn)：3、5、7向應(yīng)變計(jì)
水工結(jié)構(gòu)書本：應(yīng)力簡(jiǎn)單
實(shí)際應(yīng)力：復(fù)雜
原        因：分層施工
                    溫度變化
觀測(cè)剖面應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)
圖1    景洪重力壩三維
          仿真計(jì)算第一主
          應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）
圖2    陳村重力壩18壩段
          順河剖面第一主應(yīng)
         力包絡(luò)圖（MPa）
1.2  應(yīng)變計(jì)有效率較低
    因素：儀器埋設(shè)
               基準(zhǔn)值取值
               自生體積變形
               儀器維護(hù)
               運(yùn)行期，應(yīng)變計(jì)有效率較低
每點(diǎn)6個(gè)應(yīng)力分量，需6個(gè)應(yīng)變分量反算
       7個(gè)應(yīng)變計(jì)，壞2支，算不出6個(gè)應(yīng)力分量
小結(jié)：
   （1）應(yīng)變計(jì)：很難測(cè)出應(yīng)力場(chǎng)全貌
                             不能給出安全系數(shù)
            作     用：監(jiān)控
                             校核
   （2）可用觀測(cè)資料：變位，溫度，場(chǎng)壓力
                   不能給出大壩應(yīng)力場(chǎng)、安全系數(shù)
   （3）安全系數(shù)計(jì)算：設(shè)計(jì)規(guī)范方法
2. 目前采用的安全評(píng)估方法
重力壩應(yīng)力——材料力學(xué)法
拱壩應(yīng)力——拱梁分載法
抗滑穩(wěn)定——?jiǎng)傮w極限平衡法
七、八十年以前的老方法
  優(yōu)點(diǎn)：積累了一定實(shí)用經(jīng)驗(yàn)
   缺點(diǎn)：不能反映真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)
2.1  現(xiàn)行安全評(píng)估方法的缺點(diǎn)
（1）沒(méi)有考慮：施工溫度應(yīng)力、施工過(guò)程
（2）只  考  慮：壩面水壓力
         未  考  慮：地基水荷載、地應(yīng)力、
                             基礎(chǔ)開(kāi)挖、處理
（3）抗滑穩(wěn)定：只考慮力的平衡  
                             未考慮應(yīng)力狀態(tài)、壩與基礎(chǔ)相互影
（4）拱梁分載法采用Vogt系數(shù)，太粗糙
         不能考慮滲流、地應(yīng)力、斷層、節(jié)理
（5）忽略了非線性溫差
（6）不能考慮非線性變形、裂縫、接縫影響
評(píng)估結(jié)果：脫離實(shí)際
        有的工程：質(zhì)量很差，問(wèn)題很多
        評(píng)估結(jié)果：安全系數(shù)相當(dāng)大
3.全壩全過(guò)程有限元仿真的安全評(píng)估
(1) 力學(xué)特性：彈性變形、徐變、非線性變形
(2) 屈服準(zhǔn)則：混凝土—五參數(shù)準(zhǔn)則
                          巖    體—帶抗拉強(qiáng)度的Druker-Prager準(zhǔn)則
                          節(jié)理、接縫——Mohr-Coulumb準(zhǔn)則
(3)全壩仿真：拱壩全部壩段，重力壩單個(gè)壩段
(4)全過(guò)程仿真：開(kāi)工—施工—運(yùn)行
                             氣候變化、溫度控制、接縫開(kāi)合、裂縫、
                             地應(yīng)力、施工質(zhì)量
(5) 荷載：自重、溫度、水壓力、滲流場(chǎng)、地應(yīng)力
(6) 反分析：充分利用觀測(cè)資料反算材料熱學(xué)、力學(xué)參數(shù)
(7) 安全評(píng)估：超載或降強(qiáng)，非線性計(jì)算至破壞，安全系數(shù)

全過(guò)程有限元仿真安全評(píng)估特點(diǎn)
充分反映實(shí)際情況

充分利用觀測(cè)資料

安全評(píng)估結(jié)果符合實(shí)際
基于全過(guò)程仿真的安全評(píng)估與監(jiān)控

設(shè)計(jì)階段：考慮施工過(guò)程

施工階段：全壩、全過(guò)程仿真

運(yùn)行階段：反分析+全壩全過(guò)程仿真
設(shè)計(jì)階段
1.優(yōu)化設(shè)計(jì)方案
   反映：各種復(fù)雜因素
               施工過(guò)程
2.避免事故
       梅花壩
       響水壩
       柯茵布蘭壩
       托拉壩
施工階段

1.了解施工期溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)

2.預(yù)報(bào)運(yùn)行期應(yīng)力場(chǎng)

3.發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)處理
運(yùn)行階段

安全評(píng)估切合實(shí)際
陳村拱壩
陳村拱壩：
壩高76.3m，弧長(zhǎng)419m，28個(gè)壩段
施工：1958～1962
           1968～1972完工
           1978 加高1.3m
缺乏溫控，未冷卻即灌縫
水平裂縫：高程105m，長(zhǎng)300m，深>5m
                    高程111.5m，長(zhǎng)200m，深>10m
壩頂豎向裂縫：深>8m
基礎(chǔ)：4條大斷層
圖7.1.2  陳村大壩整壩網(wǎng)格示意圖 
圖7.1.4  陳村拱壩橫縫、施工縫、壩體裂縫單元示意圖 
圖7.3.1  夏季上游面主應(yīng)力分布云圖（單位：t/m2） 
圖7.3.2  夏季下游面主應(yīng)力分布云圖（單位：t/m2） 
圖7.3.3  夏季壩體剖面σ1應(yīng)力分布云圖（單位：t/m2） 
圖7.3.4  冬季上游面主應(yīng)力分布云圖（單位：t/m2） 
圖7.3.5  冬季下游面主應(yīng)力分布云圖（單位：t/m2） 
圖7.3.6  冬季壩體剖面應(yīng)力分布云圖（單位：t/m2） 
圖8  18壩段壩頂徑向位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較圖 
圖11.3.35  考慮初應(yīng)力冬季水壓超載結(jié)構(gòu)破壞時(shí)上游面損壞分布圖 
圖11.3.36  考慮初應(yīng)力冬季水壓超載結(jié)構(gòu)破壞時(shí)下游面損壞分布圖 
 (a) 11壩段                  (b) 18壩段                   (c) 21壩段

圖11.3.37  考慮初應(yīng)力冬季水壓超載結(jié)構(gòu)破壞時(shí)
11、18、21壩段剖面損壞分布圖 
超載系數(shù)：
    考慮應(yīng)力歷史：冬季 1.80
                                夏季 1.91
    不考慮應(yīng)力歷史：2.17
    常規(guī)多拱梁計(jì)算：壓應(yīng)力安全系數(shù)12.34

豐滿重力壩
豐滿重力壩：
壩高91.7m，全長(zhǎng)1080m
1937—1945，澆89%
1948—1953，復(fù)建
無(wú)冷卻
縱縫未灌漿，220m以上無(wú)鍵槽
施工質(zhì)量低
裂縫多
?
176
?
267.7m
?
176
?
267.7m
47壩段施工期溫度和應(yīng)力結(jié)果（℃ ）
施工期最大溫度包絡(luò)圖（℃ ）                      施工期第一主應(yīng)力包絡(luò)圖 (t/m2 )
運(yùn)行期溫度場(chǎng)
1990-2005年最低溫度包絡(luò)圖(負(fù)溫)

下游面負(fù)溫區(qū)水平向深約4.5m
運(yùn)行期夏季第一主應(yīng)力等值線
壩體內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)， 
縱縫及施工縫縫面局部拉應(yīng)力0.2MPa。
運(yùn)行期冬季第一主應(yīng)力等值線
壩體表層混凝土受拉， 
局部區(qū)域拉應(yīng)力0.8MPa。
縱縫面開(kāi)合狀態(tài)
            
冬季
夏季
縱縫在靠近下游面區(qū)域冬季張開(kāi)、夏季閉合，壩體內(nèi)部區(qū)域處于大范圍（70%）的張開(kāi)狀態(tài)。大面積縱縫的張開(kāi)使壩體受力條件惡化，整個(gè)大壩不能整體受力，對(duì)壩體整體性和安全不利。

設(shè)計(jì)水位＋地震
 縱縫縫面大面積受拉
 壩踵出現(xiàn)大面積拉應(yīng)力區(qū)，
 最大拉應(yīng)力值約1.0MPa
 壩體表層混凝土受拉。
 壩踵出現(xiàn)大面積拉應(yīng)力區(qū)，
 最大拉應(yīng)力值達(dá)1.2MPa
溫升
溫降
按規(guī)范計(jì)算：
材料力學(xué)方法：無(wú)拉應(yīng)力
常規(guī)有限元：拉應(yīng)力深度為底寬的0.02倍
                        規(guī)范<0.07倍
抗滑穩(wěn)定：K?=2.82
                    規(guī)范K=3.0
全過(guò)程仿真計(jì)算，最后超載
 考慮應(yīng)力歷史：超載系數(shù)k=1.1(冬季)， 
      1.14(夏季)
(2)  不考慮應(yīng)力歷史：k=1.67
(3) 下游加厚4m，k=2.33
(4) 嚴(yán)格溫控，有鍵槽，灌漿，質(zhì)量良好
                               k=3.26

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