高拱坝早期应力特性和仿真分析及应用研究

认为拱坝开裂的主要根源在于对混凝土复合材料的热学和力学相关特性认识不彻底,应从微细观机理出发，加强拱坝全级配混凝土绝热温升、非线性温度、湿度、自生变形、干缩变形、湿胀变形和徐变以及相应的温度应力、干缩应力、自生变形应力、湿胀应力和徐变应力的应用基础研究，其中要考虑混凝土龄期、自身温度、成熟度、湿度、环境条件变化等因素的影响，准确确定混凝土边界条件特性和同时受龄期、温度及成熟度影响的绝热温升、弹性模 2100433B

针对高拱坝在快速施工与建设管理中存在的关键科学问题，重点研究综合考虑温度控制、施工导流、结构型式、机械设备和浇筑能力等复杂约束条件下高拱坝的施工特征、施工系统分解协调全局优化理论、施工全过程动态仿真与优化理论以及施工动态实时控制理论。采用面向时间仿真和面向对象仿真相结合的思路，开展高拱坝施工过程与温度应力耦合仿真计算分析研究；针对高拱坝施工过程的不确定性和经验性强等特征，开展智能动态仿真与自适应动 2100433B

本项课题研究内容为裂隙岩体渗流应力耦合特性及分析研究，以试验为基，注重理论分析和归纳。通过渗流应力耦合试验，提出渗流应力耦合关系式，并用于龙滩高碾压砼坝断面优化招标设计。首次提出裂隙岩体四自由度全耦合分析方法，突破目前普遍采用的渗流场和应力场分开计算，交叉迭代的计算程式，成为目前较完善的分析方法，编制了相应程序可资历应用，完成交叉裂隙水流模型试验，建立了交叉水流局部水头损失的理论模式及相应的修正系数，改进完善了网络渗流的计算，澄清了网络裂隙水流计算中是否要考虑交叉引起的水冰损失的争论。本研究丰富了岩石力学内容，促进裂隙水力学发展起到积极作用。成果理论水平高，有较好的应用前景。培养了高层次人才。 2100433B

拱坝是一个空间弹性壳体，其几何形状和边界条件都很复杂，难以用严格的理论计算求解拱坝坝体应力状态。在工程设计中，常作一些必要的假定和简化，使计算成果能满足工程需要。拱坝应力分析的常用方法有圆筒法、纯拱法、拱梁分载法、壳体理论计算方法、有限单元法和结构模型试验法等。

(1)纯拱法：假定拱坝由许多互不影响的独立水平拱圈组成，不考虑梁的作用，荷载全部由拱圈承担。计算简单，但结果偏大，尤其对厚拱坝。对薄拱坝和小型工程较为适用。(2) 拱梁分载法：假定拱坝由许多层水平拱圈和铅直悬臂梁组成，荷载由拱梁共同承担，按拱、梁相交点变位一致的条件将荷载分配到拱、梁两个系统上。梁是静定结构，其应力容易计算；拱的应力则按弹性固端拱进行，计算结果较为合理，但计算量大，需借助计算机，适于大、中型拱坝。

(3)拱冠梁法：最简单的拱梁分载法，可采用拱冠梁作为所有悬臂梁的代表与许多拱圈组成拱梁系统，按拱、梁交点径向线变位一致的条件来建立变形协调方程, 并进行荷载分配, 可大大减少工作量。

(4)壳体理论计算方法：采用壳体理论计算拱坝应力的近似方法，早在30年代就由P托克尔提出。由于坝体形状和几何尺度的变化以及边界条件的复杂性，使这一方法受到很大限制。近年来由于计算机技术的发展，使这一方法取得了新进展。网格法就是应用有限差分解算壳体方程的一种计算方法，它适用于薄拱坝。中国广东泉水双曲拱坝用网格法进行应力计算，效果较好。

(5)有限单元法：将地基和坝体划分为有限数量的单元，以节点相连接，用离散模型代替连续体结构进行坝内各单元的应力和变位计算，能正确反映施工过程对应力的影响，能解决复杂边界条件和材料不均匀的问题，适用而有效，但计算量相当大，必须借助于计算机才能完成。