高拱壩建設問題分析論文

導語：高拱壩建設問題分析論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

由于我國水利水電事業發展的需要，我國還要修建大量拱壩乃至極高的拱壩，如瀾滄江的小灣水電站，拱壩壩高292m，裝機容量420萬kW，泄洪功率4600萬kW，壩址基本烈度為8度，而且有大規模的地下廠房及洞室群；又如金沙江的溪落渡水電站，拱壩壩高295m，裝機容量1440萬kW，泄洪功率近1億kW，壩址基本烈度為8度，其難度又比小灣水電站上了一個臺階。這些工程比世界最高的英古里拱壩（壩高272m）更高，工程規模更大，泄洪功率也比世界最高水平高出2～3倍，而且處于強地震區，其技術難度居于世界前列。其他還有金沙江的白鶴灘、洪門口，瀾滄江的糯札渡等拱壩，壩高都在300m左右，也都是現行規范覆蓋不了的特高拱壩。另外，還有拉西瓦、構皮灘等也都是200米以上的高拱壩。下面，就高拱壩建設中的幾個問題談談我們的粗淺認識。

對200米以上的拱壩為什么要做專門研究

建國以來修建了大量拱壩，凡是按規范正規設計施工的拱壩都能安全運行，說明我們已掌握一般拱壩的技術。80年代開始，已在修建240米高的二灘拱壩，并正在向300米級的高拱壩攻關。那么，我們現在所掌握的技術是否已滿足高拱壩的設計要求？100米、200米、300米高的拱壩在本質上有什么區別，這是個值得探討的問題。

國際上有些壩工專家認為，超過200米的拱壩和百來米高的拱壩有本質的不同，并主張在二灘這類拱壩上，不允許出現拉應力（這實際上是做不到的），我們認為這是有一定道理的。200米以上的高拱壩與較低的拱壩的本質區別在于：低拱壩總體應力水平較低，應力，特別是壓應力的安全儲備較大；高拱壩總體應力水平高，壓應力的儲備較小。一旦拱壩產生局部開裂，應力重分布，低拱壩的調整余地較大，因此，整個壩體仍是安全的；而對于高拱壩，就很可能造成應力普遍超限，從而導致壩體的破壞。另外，高拱壩在溫度應力、地震作用以及泄洪消能方面都有高拱壩的特殊問題，如果解決不好，都會造成致命的破壞。

辯證地看待周邊縫

拱壩設計中最使人擔心的是過分集中的拉應力，尤其在臨水面。因為混凝土的抗拉強度不僅低而且不穩定、變異大。但拉應力是避免不了的，特別在幾何體型不連續處，拉應力有尖銳的集中，所以有些國家采取周邊縫方案，把壩和基礎切開，消除奇點和拉應力。總的思路是沿周邊縫解放拉應力。

我們認為，設置周邊縫的影響是雙面性的，有得有失。留縫后消除了縫面上的拉應力，是最大的‘得’；而‘失’的方面，是人為地削弱了拱壩的整體性和剛度，降低了拱壩的超靜定度和應力調整的潛力。周邊縫是壩體結構體系中強度最低的部位，抗拉強度接近于零，抗剪強度也極大地削弱了，只能承受與縫面正交或接近正交的力。如果這種反力分布不能與外載平衡，壩體就要失穩，或者雖能平衡但安全度會降得很低。因此，不能簡單地肯定或否定周邊縫，尤其對于高拱壩，必須認真進行具體分析，才能得出正確結論。也可以采取“中間路線”的做法，即采用局部的人工縫，既消除了拉應力，又不太削弱拱壩的整體性。南非在萊索托建的KATZ拱壩，人工縫設計得十分細致復雜，這一經驗值得借鑒。我們認為。“中間路線”值得作進一步深入研究。

拱壩優化的新思路

拱壩優化是個高難度課題，只有在計算機和計算技術高度發展后才能實現。可喜的是，我國的拱壩優化技術已經取得了突破性的進展，進入了實用階段，在國際上處于領先地位。拱壩優化是在滿足某些約束條件下使某一目標函數取極值。對于拱壩來講，所謂約束條件主要是保證壩的安全，而目標函數則是壩的體積最小或造價最低。因此，拱壩優化的基本思路就是在保證壩體安全的條件下使壩的體積（或造價）取極小值。在進行高拱壩設計時，對其優化問題宜進行更多的思考。首先，約束條件和目標函數的表述有本質上的區別，這兩類要求是兩套系統，前者是模糊的（例如將拱壩上允許出現的最大拉應力減小或增大0.1Pa，究竟對壩體安全度起多大的影響是說不清的）；后者（體積或造價）則有十分明確的概念的確定值。其次，在目標函數取極值點的附近區域，“坡度”是平緩的。即偏離理論最優點一定距離。對目標函數的影響不大，對整個工程來講，甚至是無足輕重的。那么，我們何不增加一點工程量或造價，而讓安全度有所提高呢？即何不犧牲一點目標函數（不取極值）而使安全性有相當的提高呢？近來，不少專家傾向于把拱壩優化的問題倒過來提，即在混凝土量不超過某一限制的條件下，使壩體具有最高的安全度（這里的混凝土量的限值可以經過初步的常規優化來擬訂）。這一思路容易為高拱壩的設計者特別是業主單位所接受，但這種優化的難度比常規優化更高，原因就在于壩體的‘安全度’以什么函數來表示。是單純的最大應力，還是綜合的可靠度指標，還是另外的什么特征。對于不同體型和地質、地形條件的拱壩，其破壞機理是不同的，如何選擇合理的安全指標，是一個需要做深入研究的課題。總之，在高拱壩建設上，安全與造價兩者之間相比，安全更為重要。只要混凝土量不超過某一數量，并且安全性較高，就是較好的方案。

拱壩的動力分析

我國許多高拱壩要修建在強震區，地震作用及抗震設計成為高拱壩研究的重要問題。

大壩的動力分析的發展，大體上經歷三個階段：第一階段是把地震活動對壩體的影響簡單轉化為靜力表示，按靜力分析來進行設計（擬靜力法）；第二階段以動力分析作為設計計算手段，在頻域上或時域上作分析，但所考慮的條件比較簡單，例如不計地基、水與壩體的耦合作用，不考慮材料的非線性影響等；第三階段是在動力分析中考慮更多的耦合影響、非線性影響、地基的無限大影響和地震動的合理輸入問題等等。

今后在高拱壩抗震研究中除了繼續進行理論上的探索（如地震動的合理輸入模式；地震活動的隨機性和不可重復性；如何評價地震的危害性等）外，還要研究如何將理論成果進行歸納總結，逐步推廣應用到設計實踐中去，研究縫（包括周邊縫、裂縫、施工縫）對抗震性能的影響，研究如何采取主動措施減震防震，逐步由被動核算走向主動控制。

拱壩的“上滑失穩”

對于是否需要核算各壩塊沿建基面的穩定性，一直存在兩種不同的見解：一種認為，拱壩與重力壩無論是結構型式還是受力條件都完全不同，只要拱壩兩岸壩肩基巖不破壞，個別壩塊不可能滑動失穩；另一種認為，拱壩沿建基面滑動失穩是可能的，應該驗算在水壓作用下整個拱壩向下游并沿著岸坡上爬（有人稱之為“上滑失穩”）的可能性，這兩種意見尚未統一，我們僅談一點粗淺的認識：

1.建基面是拱壩結構系統中的一個薄弱面，沿薄弱面進行穩定核算總是有益的，不應反對。但是，拱壩是個空間整體結構，要核算其沿建基面失穩的安全度非常復雜，究竟用什么方法進行驗算才更符合實際，是必須深入研究的問題，否則，會給出錯誤的概念或結論，對決策不利。

2.對于河谷較寬、曲率半徑較大、岸坡較平緩、建基面上的抗剪強度特低或有平行于建基面的連續斷裂，以及建基面平滑順直的拱壩，應對拱壩沿建基面失穩問題進行深入的研究。

3.要進行深入的研究，就必須弄清這種失穩的機理和發展過程。具體講，拱壩受載后，在建基面上各點都產生了剪應力，如荷載不斷增加（或強度不斷降低），有一些點進入屈服狀態，產生應力重分布。這些屈服區逐漸發展，連成片，壩體應力分布及工作條件不斷惡化，最終導致失穩。失穩時，壩體也將被撕裂成塊，不可能是“整體滑動”。所以，“滑動核算”和“應力核算”是分不開的。要真正弄清問題，只能通過仿真的有限元非線性分析，一步步追蹤在荷載增大過程中壩體的反應過程，直到壩體破壞。這也是對拱壩最終承載力的研究。條件不同的拱壩其破壞機理和發展過程也不一致。有的從壩體斷裂開始，發展為全面破壞；有的從壩肩基巖大變形開始導致破壞；也有的可能從建基面上屈服開始發展成壩體應力的惡化而破壞。我們應針對不同情況，用不同的方法分別研究它們的破壞機理和破壞軌跡，這里有很多基礎性問題值得深入進行研究。

拱壩的模型試驗

用結構模型試驗來指導拱壩設計，是常用的有效方法。在早期，外國有些拱壩上要依靠模型試驗來設計，現在雖然設計和計算技術發展了，但對一些重要工程仍常用模型試驗來驗證，而且給人以拱壩變形和破壞機理的直觀印象。試驗技術也有很大的提高，如能在地基內反映一些大的構造面和主要地質條件、尋找更合適的模型材料。測試儀器和分析手段也日益進步和自動化。

但在高拱壩的模型試驗中，要使得成果能反映真實情況，就必須考慮各種非線性影響，而這一點是很難實現的。如果拱壩較低，壩體和地基內的應力水平也很低，基本上在彈性范圍內，試驗就比較方便。但即使對這種情況，如果要做破壞試驗，也存在著相似的問題。對于高拱壩，非線性的影響就更為重要，要找到完全符合相似率的模型試驗材料是相當困難的，這也是阻礙結構模型試驗向前發展的最大障礙。另外，對破壞試驗的一些做法，很多專家也提出了異議，因為水壓荷載根本不可能無限提高，材料強度也不可能無限降低，因此這樣的超載試驗能否給出定性的結論都是值得懷疑的。今后除應繼續提高模型試驗技術外，利用計算機仿真計算，從可靠度的概念出發，去追蹤壩體和地基的破壞軌跡，可能更能說明問題。

關于碾壓混凝土拱壩

將碾壓混凝土技術用于拱壩建設，可以簡化施工、縮短工期。我國已建成75米高的普定碾壓混凝土拱壩，正在興建135米高的沙牌碾壓混凝土拱壩，在這方面的發展是領先的。

但常規的拱壩施工方式（分塊澆筑、冷卻灌漿，然后蓄水）雖不一定是最優模式，卻有它理論上的合理性和成熟的經驗。采用碾壓混凝土技術后，取消或減少了橫縫，實行大面積連續澆筑，在壩體尚未降溫時蓄水。如何解決后期的應力變化防止開裂，尚須采取有效對策，作進一步的研究。采取綜合措施后，才能推廣到高拱壩上去。采用重復灌漿技術或補償混凝土，可能是合適的措施。