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小湾水电站建设中的几个技术难题概要小湾水电站建设中的几个技术难题马洪琪(华能澜沧江水电有限公司,昆明650214[关键词]混凝土双曲拱坝;技术难题;创新;小湾水电站[摘要]小湾水电站混凝土双曲拱坝是即将建成的世界最高拱坝,许多技术难题位居世界第一,工程建设极具挑战性。
结合对关键技术的研究实践与认识,介绍了建设中遇到并成功攻克的700m高工程边坡处理、坝基岩体开挖卸荷松驰、拱坝混凝土温控防裂、泄洪消能及雾化研究、拱坝抗震安全等主要技术难题。
小湾水电站是国家实施西部大开发和“西电东送”战略的标志性工程。
电站位于云南省大理州南涧县和临沧市凤庆县的澜沧江中游,是澜沧江中下游河段八个梯级电站的第二级,也是该河段的“龙头水库”。
水库正常蓄水位1240m,相应库容150亿m3,调节库容99亿m3,具有不完全多年调节性能。
工程以发电为主,兼有防洪、航运、旅游等综合利用效益。
电站装机容量4200MW,保证出力1778MW,多年平均年发电量约190亿kW.h。
枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、坝身泄洪孔口、坝后水垫塘和二道坝、左岸泄洪洞和右岸地下引水发电系统组成。
最大坝高294.5m,是即将建成的世界最高拱坝。
(小湾水电站枢纽布置见图1小湾水电工程地形地质条件复杂,工程规模巨大,许多技术难题位居世界第一,没有可供借鉴的经验。
现将建设过程中遇到的主要技术难题概述如下。
1 700m高工程边坡处理设计小湾坝址河谷深切、岸坡陡峻、沟梁相间、地应力高。
左岸坝顶以上分布有2、4、6号山梁边坡及饮水沟堆积体、龙潭干沟堆积体边坡。
右岸坝顶以上主要分布有3号山梁边坡、大椿树沟堆积体边坡。
边坡出露岩层主要是黑云花岗片麻岩、角闪斜长片麻岩,岩层产状为近横河的EW,陡倾上游。
边坡内III、IV级结构面发育,按产状主要可分为3组:①近SN向陡倾角组;②近EW向顺片麻理组;③顺坡的中缓倾角组。
这些结构面构成后缘拉裂面、侧向切割面及顺坡向中缓倾角节理裂隙组成的结构体,易向河谷方向呈一陡一缓状滑动破坏,进而向周边扩展,形成平面型坍滑,是边坡稳定处理的重点。
小湾拱坝主要工程地质问题研究汤献良刘东勇杨海江李刚中国水电顾问集团昆明院，昆明市人民东路115号，650051，tang_xl@摘要：小湾水电站所在区域地震地质环境复杂，600年超越概率10％的基岩峰值水平加速度可达0.308g。
拱坝坝基及坝肩地段岩性主要为黑云花岗片麻岩及角闪斜长片麻岩，微风化～新鲜岩体完整性好，强度高，但存在断层、蚀变岩体和弱风化岩体、卸荷岩体等地质缺陷，此外，两岸岸坡陡峻，地应力高，坝基开挖后存在卸荷应力松弛现象，且在左岸分布有4＃山梁深卸荷岩体，对拱坝稳定不利。
关键词：地震动参数；断层；蚀变带；卸荷岩体；拱坝稳定1 地震安全评价小湾处在唐古拉～昌都～兰坪～思茅褶皱系中，地质构造背景复杂。
外围地震地质环境复杂，历史地震频繁。
小湾水电站枢纽区的地震烈度主要受外围大理～弥渡7级、永平～鲁史6级、云县7级三个地震危险区的影响。
根据国家地震局地质研究所地震危险性分析成果，定：小湾地区地震基本烈度为Ⅷ度；50年、100年、600年以及1000年超越概率10%的基岩峰值水平加速度分别为0.134g、0.169g、0.308g和0.363g。
根据库区地层岩性、地质构造、水文地质条件、岩溶发育情况、地震活动性及现代构造应力场分布情况等因素分析，小湾水电站库区存在下列四个可能产生水库诱发地震的库段：澜沧江库区热水塘～漭水河库段、大寨～杉阳库段、瓦窑河口～永保桥库段及黑惠江库区孔雀桥～犀牛街库段，震级上限为 5.0级～5.5级，对坝址区的影响烈度不超过Ⅴ度。
2 枢纽区地质概况枢纽区河谷深切呈“V”型。
基岩岩性主要为致密坚硬的黑云花岗片麻岩、角闪斜长片麻岩，均夹呈薄层透镜状分布的片岩夹层，在新鲜完整状态下均属坚硬类岩石。
微风化～新鲜岩体强度高、完整、质量好。
枢纽区岩层呈单斜构造，横河分布，陡倾上游，破裂结构面较发育，分布有一条Ⅱ级断层（F7）和20条Ⅲ级断层（见图1），除F20走向为NNE外，其余均为NWW走向，它们均为陡倾角，NWW向断层属层间挤压性质，破碎带物质以碎块岩、碎裂岩为主，结构紧密，仅在断层壁附近有薄层断层泥分布。
小湾拱坝拱座稳定与工程处理王国进刘东勇陈宗荣陈光明何瑞良中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，昆明市人民东路115号，650051，gjwang@摘要：拱座稳定条件对高拱坝的安全至关重要。
小湾水电站拱坝坝前水头高、总水推力巨大，两岸拱座抗力岩体范围分布有距坝较近的横河向断层和顺河向为主的蚀变带等地质缺陷，力学指标低、水理性质差，有必要进行工程处理；枢纽布置、坝线选择以及拱坝体型优化均在确保拱座岩体质量和拱端嵌深的前提下进行。
勘测设计科研围绕坝基及拱座的稳定性及其加固措施开展了大量的分析研究与模型试验，由平面到空间、自密集结构面概化到各向异性模拟，从不同角度深入分析拱座岩体的稳定条件及其超载安全度。
针对近横河向与顺河向拱座地质缺陷对拱座变形稳定的“屏蔽效应”与“胡同效应”不利影响，在基本排水手段前提下，经充分研究最终采用了地下洞井塞置换与高压固结灌浆相结合以增强整体性、辅以坡面保护和坝后锚固以增强侧向约束的综合处置措施。
特别基于提高地下置换处理的针对性和有效性、尽量减少对围岩的扰动，对于拱座核心抗力岩体内存在的地质缺陷按照跟踪置换的信息化理念进行处理，收到了良好效果。
关键词：复杂拱座；屏蔽效应；胡同效应；综合处置；跟踪置换1 工程概况小湾水电站坝前水头高近300m，拱坝上游面承载面积巨大，总水推力约1660×105kN，其拱座受力量级系当今中国之最，两岸拱座抗力岩体的变形稳定和抗滑稳定成为确保拱坝安全的关键。
在坝肩抗力岩体范围内及沿建基面分布有以Ⅲ级断层F11和蚀变带E1、E4、E5、E8、E9为代表的主要地质缺陷，力学指标低、水理性质差，加上部分性状不良的Ⅳ级结构面及近坝部位节理密集带的存在，使小湾拱坝的拱座工作条件十分复杂。
在枢纽布置、坝线选择以及拱坝体形优化过程中，对于这些重要地质缺陷均给予了高度重视和充分考虑，力图在确保拱坝建基条件和拱座岩体质量的前提下尽量使主要受力区域避开和减免这些不良地质体的影响；由于受到上游侧距离较近的Ⅱ级断层F7的客观限制以及下游侧沟梁相间地貌和深卸荷岩体的制约，拱端荷载传递无法全面避开不良地质体的影响。
澜沧江小湾水电站
小湾水电站
•小湾水电站位于云南省大理州南涧县与临沧市凤庆县交界的澜沧江中游河段
•大坝为混凝土双曲拱坝，坝高292米，坝顶高程1245米，坝顶长922.74米，拱冠梁顶宽13米，底宽69.49米。
泄水建筑物由坝顶5个开敞式溢流表孔、6个有压深式泄水中孔、左岸两条泄洪洞、坝后水垫塘及二道坝等组成。
引水发电系统布置在右岸，为地下厂房方案，由竖井式进水口、埋藏式压力管道、地下厂房、主变开关室、水调压室和两条尾水隧洞等建筑物组成。
小湾水电站地形地质
•枢纽工程区位于滇西纵谷山原区，地质环境较复杂，与工程关系密切的断裂构造是澜沧江断裂带，在坝址附近，其规模较小。
建筑物及其邻近地区虽不属强震发生区，但被强震发生带所包围。
•枢纽区河谷深切呈“V”形，分布岩石为致密坚硬的黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩，但新鲜完整的片岩仍属坚硬类岩，岩石完整、强度高、、质量好。
主要水工建筑物。
•小湾水电站枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、坝后水垫塘和二道坝、右岸地下厂房、左岸泄洪洞组成，坝身设有泄洪表、中孔和放空底孔。
•左岸布置2条泄洪隧洞，单独泄洪时，可以宜泄常年洪水(考虑机组过流量)。
泄洪洞由短有压进水口、龙抬头段、直槽斜坡段以及挑流鼻坎组成。
•引水发电系统布置在右岸，压力管道为地下埋藏式，单机单管供水方式，
•地下厂房洞室群位于右岸坝端下游
消能防冲设二道坝组成水垫塘消能
红色的龙门吊是可以在轨道上移动，分别开启坝身孔口的闸门。
小坝田水库拱坝坝基处理措施发表时间：2017-09-25T11:12:26.677Z 来源：《基层建设》2017年第15期作者：陈美杏赵景志[导读] 摘要：拱坝是利用拱圈把水压力传递到两坝肩的一种坝型，所以拱坝对坝肩地质条件要求较高。
特别是坝基座落在软岩上时，必须进行处理，才能保证拱坝的安全。
本文以小坝田水库拱坝坝基处理为例，介绍拱坝在软基上的一种处理措施，为中低型拱坝的坝肩软基处理提供参考。
广东珠荣工程设计有限公司广东广州 510610摘要：拱坝是利用拱圈把水压力传递到两坝肩的一种坝型，所以拱坝对坝肩地质条件要求较高。
特别是坝基座落在软岩上时，必须进行处理，才能保证拱坝的安全。
本文以小坝田水库拱坝坝基处理为例，介绍拱坝在软基上的一种处理措施，为中低型拱坝的坝肩软基处理提供参考。
关键词：抛物线双曲拱坝拱梁分载法置换固结灌浆荷载扩散理论1 工程概述小坝田水库位于贵州省六枝特区梭戛乡的沙子河一级支流小坝田河上，沙子河属于长江流域乌江水系三岔河一级支流，坝址位于梭戛乡小坝田组苏家寨北面的峡谷出口处。
坝址以上干流河段长约3.16km，河床平均比降为8.43%，回水长约0.45km；控制流域面积4.8km2；工程主要任务是果树、秋冬蔬菜、玉米、油菜灌溉，兼向六枝特区梭戛乡及附近村寨供水，设计灌溉面积7000亩，并向梭戛乡每年提供56.2万m3的生活用水。
2 地质条件坝址位于梭戛乡小坝田组苏家寨北面的峡谷出口处，处于小坝田小河中下游河段上坝址河水呈南南西向径流。
河谷呈窄“V”型谷，河谷窄陡，河床高程1472.0~1474.0m，宽5~8m，正常蓄水位1515.00m，河谷宽125m。
河谷宽高比2.3，两岸边无漫滩和阶地发育。
两岸为坡耕地，地形相对完整对称，两岸地形坡度多为35~5度左右，坝址主要为T1y1、T1y2、T1y3 T1y4泥、页岩，灰岩组成的溶、侵（剥）蚀地形地貌。
大坝坝基持力层由上游至下游依次为夜郎组第二段（T1y2）紫红、褐红色泥岩，顶部为一层灰色厚2.9m的泥灰岩，局部夹有页岩，夜郎组第三段（T1y3）灰色中至厚层状灰岩，地表调查及钻孔录像发现页岩软弱夹层9层，顺河向裂隙主要主要发育在两岸坡，以卸荷裂隙为主。
摘要：在开裂单元中引入不连续形函数，然后基于虚功原理推导出开裂单元的广义刚度矩阵和广义荷载的具体表达式，以及有限元平衡方程，从而建立了一种三维裂缝扩展的不变网格有限元分析方法。
运用该方法对已建的二滩拱坝和待建的小湾工程拱坝在相同的工况下进行了对比计算。
计算结果表明：在目前所考虑的影响因素下，小湾拱坝和二滩拱坝的开裂范围、开裂程度及对网格疏密、混凝土抗拉强度和水力劈裂等影响因素的敏感程度都非常相似。
考虑到二滩工程已建成，且运行正常，可以初步判定小湾工程的拱坝坝踵开裂危险性不大。
关键词：拱坝开裂有限单元法坝踵开裂是高拱坝设计中需要考虑的一个重要问题。
奥地利的科恩布赖拱坝建于1977年，坝高200.2m，在蓄水前坝下游底部水平施工缝张开，1978年蓄水接近满库时上游坝踵开裂穿通廊道，引起廊道内漏水，后来进行了十几年的漫长修补加固，并在坝的下游坝趾处建造了高约70m的混凝土支撑体。
俄罗斯的萨扬舒申斯克拱坝建于1987年，坝高242.0m，施工期产生大量裂缝，当1990年水位首次达到正常水位时，河床坝段上游坝面靠近坝基处产生水平裂缝，引起廊道内漏水。
这些高拱坝的损坏事故引起了世界各国坝工界的极大关注。
研究拱坝开裂分析的主要方法可以分为结构模型试验和数值计算两大类。
可用于拱坝开裂分析的数值计算方法很多，如拱梁分载法、边界元法、流形元法、无单元法、有限单元法等[1～7]，其中有限元法是较为成熟且广为应用的数值方法。
但有限元法在本质上是一种连续介质力学方法，必须加以改进才能被运用来分析裂缝扩展这样的不连续问题。
改进的方法可以概括为两类：变网格法和固定网格法。
变网格法随着裂缝的扩展而重新划分网格[8，9]，这种方法的优点是不需要开发新的有限元软件，但是存在计算量大和前处理难等问题。
固定网格法则是保持有限元网格不变，通过修改开裂单元的插值关系和本构关系来反映裂缝的影响[10～12]。
相比较而言，固定网格法的应用更为方便。
世界上最高的拱坝——小湾混凝土双曲拱坝邹丽春，傅树红(国家电力公司昆明勘测设计研究院)摘要：本文论述了小湾拱坝的布置设计、体型优化以及对坝体动、静应力状态的分析研究。
对于目前规范尚未涉及到的高拱坝坝踵开裂问题以及在高烈度地震作用下坝体横缝的开合问题，文中采用国内外最新发展起来的多种分析方法和模型试验，从不同角度作了深入地研究。
在此基础上，提出了小湾拱坝防止减少坝踵开裂的工程措施以及抗震工程措施。
关键词：小湾拱坝；体型优化；应力分析；工程措施作者简介：邹丽春(1961-)，女，教授级高级工程师，主要从事水工建筑物设计1工程概况小湾水电站位于云南省西部澜沧江中游河段，系澜沧江中下游河段规划八个梯级电站中的第二级。
小湾水电站是以发电为主，兼有防洪、灌溉和库区水运等综合效益的水利枢纽。
总库容151亿m3，有效库容99亿m3，库容系数0.26，属不完全多年调节水库。
电站总装机容量4200MW，年发电量189亿kW·h.小湾地区的地震烈度主要受外围与红河断裂、澜沧江断裂和南汀河断裂有关的三个地震危险区地震的影响，其地震基本烈度为Ⅷ度，地面峰值加速度为0.308g.拦河大坝采用混凝土双曲拱坝，最大坝高292m，为目前世界上拟建中的最高拱坝(见图1).泄洪消能建筑物由坝身5个开敞式表孔溢洪道、6个中孔泄水孔、2个放空底孔、左岸2条泄洪洞组成，坝后设水垫塘和二道坝。
设计泄洪流量15666m3/s，校核泄洪流量20683m3/s，相应下泄功率46000MW，泄洪消能问题突出，属同类坝型当今世界之最。
引水发电系统位于右岸，由竖井式进水口、埋藏式压力管道、地下厂房、主变开关室、尾水调压室和尾水隧洞等建筑物组成。
压力管道内径9.6m，地下厂房安装6台700MW混流式水轮发电机组，长326m，宽29.5m，最大高度65.5m.2拱坝布置坝址处河谷基本对称，河谷深切呈“V”字型。
正常蓄水位处天然河谷宽约720m，天然河谷宽高比为2.74.两岸山体雄厚，高出河面100m以上，为坝高的3～4倍。
水电2006国际研讨会小湾高拱坝招标阶段结构诱导缝设置效果研究周 伟1 常晓林1 喻建清2 杨 梅21．武汉大学水利水电学院 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉，430072，zw_mxx@ 2．国家电力公司昆明勘测设计研究院，云南 昆明，650061摘要：在已有研究成果的基础上，对小湾高拱坝坝踵附近诱导缝的设置效果进行了全面、深入分析。
采用无厚度的接触单元模拟诱导缝的工作性态，坝体混凝土本构模型采用单轴等效拉伸软化模型，分别采用整体模型和子模型对不同诱导缝设置高程、不同的缝内水压力进行了比较分析。
从运行期的整体仿真计算结果来看，小湾拱坝设上游结构诱导缝后，坝踵应力可以得到较大的改善，且对坝体的整体性影响较小。
为了更加合理地评价高拱坝诱导缝设置的效果，建议同时考虑施工期和运行期的荷载进行综合分析计算，为小湾拱坝结构诱导缝设计提供了科学依据。
关键词:小湾拱坝；结构诱导缝；有限元；子模型1引言国内外的工程实践、计算分析、模型试验表明，特高拱坝坝踵部位因施工期属于强约束区，运行期应力复杂，常常难以分析清楚是否会在基础或坝体部位出现裂缝，而出现裂缝后，又会因高水头劈裂导致重大损失。
国家“九五”科技攻关及“国家电力公司重点科技攻关”都对小湾电站拱坝上游坝踵应力及开裂问题进行了专门研究。
研究方法有单元开裂法、孔隙塑性法、水-力界面元法、薄层界面元法、无单元法。
研究者采用的方法与开裂准则不尽相同(线弹性强度准则（拉裂或压碎）、弹塑性屈服准则、多孔塑性有效应力准则以及断裂力学应力强度因子准则、线弹性脆性开裂模型为抗拉准则及以摩尔－库伦模型为压剪破坏准则等)，计算成果虽然存在一定差异，但都反映小湾拱坝坝踵存在开裂的可能性。
为解决拱坝上游坝踵开裂问题，国外已成功地在高拱坝上设置周边缝和底缝，如前苏联英古里拱坝采用周边缝，这些拱坝都运行良好。
为解决小湾拱坝上游坝踵可能出现的开裂问题，昆明院联合国内高等院校对小湾拱坝上游设置结构诱导缝进行了计算分析研究[1－4]，研究成果表明，拱坝上游设置结构诱导缝可以明显改善坝踵拉应力。
年月水利学报第卷第期收稿日期基金项目国家自然科学基金重点项目国家自然科学基金项目作者简介涂劲女福建长汀人博士高级工程师从事结构抗震研究文章编号小湾拱坝在不同概率水平地震作用下的抗震安全性研究涂劲陈厚群张伯艳中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心北京摘要本文采用非线性地震波动分析方法将坝体地基库水的强震反应作为满足体系中接触面边界约束条件的波传播问题求解以坝体位移反应发生突变作为拱坝体系整体失稳判断准则依据设计概率水平及实际可信超设计概率水平确定的地震动对小湾拱坝的地震响应进行数值计算分析给出其在不同水平地震作用下的抗震超载安全度分析结果表明该拱坝在实际可能发生的最大地震作用下尚有倍的超载裕度其抗震安全性能满足设计要求关键词高拱坝抗震安全地震动超越概率中图分类号文献标识码研究背景小湾拱坝是澜沧江中游梯级开发的龙头工程是国家西部大开发云南省的首选项目小湾坝址区地震基本烈度高地质构造条件复杂工程的抗震安全问题一直是设计部门非常关注的重大技术问题之一我国水工抗震规范采用的是最大设计地震的一级设防水准但随着坝高的日益增大和设计地震动强度的升高其遭受震害后次生灾害的威胁也愈益严重为此社会对这类强震区超大型高坝在超过设计地震设防概率的极端情况下的抗震安全性极为关注国际上对这类重大工程也趋向于按最大可信地震校核其最不利情况下可能发生的最大破坏一般要求在最大可信地震时坝体允许损坏但不致溃决然而迄今为止坝工界对最大可信地震及其相应的溃坝指标都缺乏明确的定量准则最大可信地震是指在坝址地质条件下可能发生的最大地震也有的取重现期为年的地震本文结合小湾高拱坝工程依据以往对最大可信地震的研究成果对超过设计概率水平的地震情况下坝体的溃决提出定量的准则并据此检验其抗震安全裕度首先按照规范规定进行的设计地震作用下拱坝抗震安全分析随后又进行了即万年一遇的超设计概率地震作用和经专门分析得到的最大可信地震作用下的抗震安全分析以确定小湾拱坝在实际可能发生的最大地震下的抗震安全性现行的水工抗震规范在拱坝抗震安全性分析中将拱坝坝肩潜在滑动块体的抗震稳定校核与坝体抗震强度校核作为分开的两个部分分别采用刚体极限平衡法和试载法进行未考虑坝体与坝肩岩体变形的耦合作用坝肩岩块诸作用力及滑动模式的随时间变化及岸坡岩体的地震动放大效应等诸多因素只有将拱坝坝体地基和库水作为整个体系分析才能反映上述因素的作用同时拱坝作为高次超静定结构是难以承受过大的坝基局部变形的无论是坝体自身强度问题还是坝肩岩块的过大开裂滑移拱坝的抗震安全问题都将通过坝体的位移突变和不断增长以致丧失承载能力反映出来所以可以据此提出拱坝安全的判断准则九五期间中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心曾在小湾拱坝坝体与地基体系三维有限元时程分析的基础上在各时刻将滑块界面上的应力进行积分得到作用在块体上的滑动力与抗滑力按刚体极限平衡法给出坝肩稳定安全系数时程这一方法一定程度上引进了坝体坝基耦合的概念但仍采用刚体极限平衡方法随后作者对小湾拱坝又尝试以坝体应力的增长超过混凝土抗拉强度为判断依据进行坝肩稳定分析但由于未考虑坝基交接面开裂后的应力重分布且坝体局部应力受单元形态及所处位置影响存在应力集中等原因该方法仍不尽完善本文采用非线性地震波动分析方法将坝体地基库水的强震反应作为满足体系中接触面边界约束条件的波传播问题在时域内以显式有限元方法求解同时由于考虑了坝体与基础交接面的开裂建议以坝体位移反应发生突变做为拱坝体系整体失稳的判断准则并对小湾拱坝抗震安全性进行分析计算模型小湾拱坝设计坝高坝顶高程正常蓄水位静荷载包括自重库水静水压力淤沙压力温度荷载库水在地震过程中的动水压力以附加质量法考虑年核定小湾坝址地震基本烈度为度设计地震动峰值加速度为工程的抗震安全问题一直是设计部门非常关注的重大技术问题之一因第四代区划给出的地震动参数为水平有效峰值加速度地震输入采用以设计反应谱为目标谱生成的人工地震波其中设计地震的超设计概率水平地震的最大可信地震的经分析坝体两岸基岩中各有个可能滑动的关键岩块图图分别给出了左右岸坝肩可能滑动岩块的三维立视图其中左岸滑动岩块缓倾角底滑面分别标注为右岸滑动岩块缓倾角底滑面分别标注为图左岸滑动块从上游观察图右岸滑动块从下游观察图三维拱坝地基系统的有限元网格有限元计算模型如图近域地基取顺河向横河向坝底以下深部基岩取一倍坝高范围整个计算区域采用结点三维块体单元离散计入人工透射边界区域在内小湾拱坝体系的单元总数为个结点总数为个总自由度个计算模型中坝体共设条横缝坝体各个横缝及左右岸可能滑动岩块的陡缓滑面都取为双结点的动接触边界已有研究表明在强震作用下由于坝体横缝的张开小湾拱坝静动综合的最大主应力值以右岸上部拱端最为显著易导致开裂说明坝体与坝基交接处是拱坝坝体抗震的薄弱部位这在美国拱坝的两次大地震震害中也充分显示即使在静态荷载作用下沿拱座坝基处的上游坝踵常为高拉应力区中部为高剪应力区又是坝体和地基体系中断面突变区在有限元计算中存在角缘效应导致的应力集中现象且该部位在施工期也为强约束区为此在沿坝基面的薄弱部位处也设置了双结点的动接触边界但其初始抗拉强度取为混凝土的动态极限抗拉强度值其值完全根据小湾拱坝实际的混凝土配合比制作的全级配试件由三点受弯梁静动态试验成果确定在动态试验时分别采用了接近小湾拱坝基频的三角形循环波及脉冲宽度为的冲击波加载试验结果表明在有静态预载时由于初始损伤导致应变率效应增大致使动态强度的强化效应较纯动载时有所增长并己从宏观和细观力学理论分析中得到解释因此沿拱座坝基交接面的混凝土静态弯拉强度取试验平均值而动态弯拉强度则考虑了静态预载的差异沿坝基面的底部中部和上部分别取三角形循环波和冲击波加载试验中静态预载为和纯动载结果的平均值其值分别为及混凝土的抗剪强度一般取为抗压强度的坝基交接面开裂后的抗剪断参数则按混凝土重力坝设计规范附录表取值在进行最大可信地震校核时应当充分估计大坝混凝土的后期实际强度根据我国二滩拱坝工程在大量试验资料基础上总结的实践经验大坝混凝土由于通常都掺加约的粉煤灰因而其后期强度的增长较一般结构混凝土的为大二滩拱坝坝体中用量最大的区混凝土粉煤灰掺量为其龄期的抗压强度为由和龄期强度拟合的公式为式中为抗压强度为天数由式外推计算的龄期的强度为另有一批年龄期的试件其实测值则达到较龄期值增长了显然在抗震设计校核中是不应当考虑在二年内遭遇发生概率极小的最大可信地震的且高拱坝的施工期已不止二年国外及我国现行水工抗震设计规范多规定因施工期遭遇强震的概率很小因而在抗震校核中可按设计地震作用折半考虑因此在小湾拱坝工程中在对最大可信地震校核时借鉴二滩拱坝工程的实践经验其极限弯拉强度按年龄期的增长率取值对最大可信地震取为时其极限弯拉强度按年龄期的增长率取值在二滩工程经验的基础上小湾拱坝工程混凝土施工质量应当是不会低于二滩工程的故上述各种抗震校核工况中混凝土极限强度的取值应是有一定科学依据的在进行地震作用下的地震波动反应分析时地基底部输入采用的三分向入射人工地震波系按新区划图的数据和要求对小湾设计地震动进行复核后的设定地震求得由设计反应谱生成谱拟合人工地震波地震波的时程长度非平稳修正函数均按文献的规定取值因地震震级小于级时程长度取地震波的上升段持时平稳段下降段为上升段为二次曲线下降段为指数曲线其中为时间单位为图给出了的人工地震波三个分量位移时程计算步骤和工况由于在计算中计入了坝体和地基可能滑动岩块边界的动接触边界整个体系的求解是一个非线性动力分析问题为此动接触边界的初始应力状态必须计入因此计算步骤分为三步首先对整个体系求得在未建坝时近域地基自重作用下的应力场但仅保留地基内可能滑动岩块动接触边界上的应力作为其初始应力场而将其初始滑移和张开度则都置零认为在建坝前这些节理面都已经长期充填密实在此基础上进行建坝后在坝体自重库水压力库内泥沙压力温度应力及基岩渗压等各项静态作用下的应力分析第三步再由地基底部入射与设计地震动相应的三分向地震动位移时程就表所列种工况对小湾拱坝进行了以有效峰值加速度为主要地震动参数的坝体地震反应分析计算图人工地震波入射位移时程?表分析工况工况超越概率加速度峰值?? 设计地震超设计概率水平地震最大可信地震极限地震作用图最大主应力等值线工况?图最大主应力等值线工况?图最大主应力等值线工况?计算成果及抗震安全性评价图图为工况下坝体上下游最大主应力等值线图图为工况图为工况下坝顶拱冠和左右拱座处的位移地震反应的时间历程曲线图下坝基交接面的开裂破坏情况图坝顶拱冠和左右拱座处的位移地震反应时间历程曲线工况 ? 图坝顶拱冠和左右拱座处的位移地震反应时间历程曲线工况 ? 从图图中可见在不同水平地震作用下由于坝体横缝的张开坝体的最大应力等值线都沿图坝基交接面开裂情况工况 ? 图坝基交接面开裂情况工况 ? 与地基的交接面方向分布当其值超过混凝土强度值时交接面将开裂或滑移这是目前在接触问题中尚未完全解决的难点因此在强震时把交接在分析中面作为接缝处理基本合理但在交接面拐点处接缝的法向改变难以给出该位置的接触面法线方向这个问题同样也存在于坝肩岩块的边界面上是按修圆的原则处理的即取两接触面交角的等分线方向从图中可见超设计概率水平地震作用下工况工况图坝顶拱冠和左右拱座处的位移地震反应时而图则显示当地震作用间历程曲线在地震结束后虽有少量的残余变形但都趋于稳定则表示工况坝体周边缝的开裂范围较为有限而图地震过程中坝体位移将发生突变并无限增长表明大坝将发生破坏丧失承载能力则显示在工况周边缝已完全破坏这也据此由极限地震在倍的超载裕是坝体发生位移突变向下游滑动的原因由计算结果可知使小湾拱坝体系达到破坏的极限地震作用为的设计地震作用分别为和作用的比值可以定量给出各个不同水平地震作用下的小湾拱坝工程的抗震超载安全度这一分析表明小湾拱坝在实际可能发生的最大地震下尚有的超设计概率地震作用以及最大可信地震作用下相应的抗震超载安全度度说明其抗震安全性能够满足要求结论本文建立了拱坝体系整体抗震稳定安全评价的新概念即在把坝体和地基作为一个体系的前提下同时考虑以下各项因素的影响包括在地震作用过程中两者的动态响应及其相互之间的动态变形耦合坝体内的横缝坝肩可能滑动岩体的边界坝底和地基交接面等处接缝的局部开合和滑移服了传统的刚体极限平衡法难以反映高拱坝强震反应实际情况的缺点其克提出了以强震时坝体位移反应发生突变作为判断拱坝体系整体失稳的准则并在小湾拱坝的整体抗震安全分析中证明了其可行性在超设计概率水平的地震作用时根据掺粉煤灰的大坝混凝土特点可考虑其经材料试验确定的年龄期的后期强度由极限地震作用的比值本文定量给出不同概率水平地震作用下的设计地震作用的超设计概率地震作即小湾拱坝在实际可能发生的小湾拱坝工程的抗震超载安全度为在和用以及最大可信地震作用下相应的抗震超载安全度分别为的最大地震下尚有倍的超载裕度说明其抗震安全性能够满足要求参考文献陈厚群李敏石玉成基于设定地震的重大工程场地设计反应谱的确定方法张伯艳涂劲陈厚群混凝土拱坝横缝对坝肩抗震稳定的影响涂劲有缝界面的混凝土高坝水利水电技术水利学报水利学报张伯艳陈厚群涂劲基于动接触力法的拱坝抗震稳定有限元分析地基系统非线性地震波动反应分析北京中国水利水电出版社北京中国水利水电科学研究院汝乃华姜忠胜大坝事故与安全混凝土重力坝设计规范责任编辑王冰伟。
