混凝土壩安全評(píng)估與監(jiān)控方法的改進(jìn)

混凝土壩平安評(píng)估與監(jiān)控方法的改進(jìn)當(dāng)前矛盾：建壩規(guī)模、高度空前平安評(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)和平安系數(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)1233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(shū)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)全貌不能給出平安系數(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)、平安系數(shù)〔3〕平安系數(shù)計(jì)算：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方法2.目前采用的平安評(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)行平安評(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、根底開(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)、壩與根底相互影〔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：平安系數(shù)相當(dāng)大3.全壩全過(guò)程有限元仿真的平安評(píng)估(1)力學(xué)特性：彈性變形、徐變、非線性變形(2)屈服準(zhǔn)那么：混凝土—五參數(shù)準(zhǔn)那么巖體—帶抗拉強(qiáng)度的Druker-Prager準(zhǔn)那么節(jié)理、接縫——Mohr-Coulumb準(zhǔn)那么(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)平安評(píng)估：超載或降強(qiáng)，非線性計(jì)算至破壞，平安系數(shù)全過(guò)程有限元仿真平安評(píng)估特點(diǎn)充分反映實(shí)際情況充分利用觀測(cè)資料平安評(píng)估結(jié)果符合實(shí)際基于全過(guò)程仿真的平安評(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.防止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)行階段平安評(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：1958～19621968～1972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根底：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818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)力平安系數(shù)12.34飽滿重力壩飽滿重力壩：壩高91.7m，全長(zhǎng)1080m1937—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?267.7m47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?？v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)壩體整體性和平安不利。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溫升溫降按標(biāo)準(zhǔn)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倍標(biāo)準(zhǔn)<0.07倍抗滑穩(wěn)定：K=2.82