[发明专利]基于结构强度、基础抗滑和整体稳定的拱坝安全评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及拱坝安全控制分析和设计领域，具体为基于结构强度、基础抗滑和整体稳定的拱坝安全评价方法。

背景技术

长期以来，世界各国拱坝设计的安全控制主要由结构材料强度安全系数和基础抗滑稳定安全系数两部分组成。根据我国《混凝土拱坝设计规范》(DL/T5346-2006)和《混凝土拱坝设计规范》(SL282-2003)，拱坝的结构材料强度安全系数指坝体混凝土抗压强度标准值与结构容许压应力的比值。其中，坝体混凝土抗压强度标准值由标准方法制作养护的边长为15cm立方体试件，用标准试验方法测得的具有80％保准率的90天龄期抗压强度；结构容许压应力指拱坝采用拱梁分载法计算的最大主压应力的控制值。

我国《混凝土拱坝设计规范》(DL/T5346-2006)和(SL282-2003)规定了Ⅰ级高拱坝的结构强度安全系数控制指标分别为4.4和4.0。基础抗滑稳定安全系数是指坝肩可能滑块在各类荷载作用下，抗滑力与滑动力的比值，两本规范对于Ⅰ级高拱坝，通常采用剪摩公式定义，基础抗滑稳定安全系数通常取3.5(其中DL/T5346-2006规范采用分项系数，基础抗滑稳定安全系数略有差异，且非一个定值，但整体与3.5接近)。依靠上述安全评价体系，我国建设了大量的拱坝工程，并均成功运行，也因此积累了极为丰富的工程经验。

随着拱坝建设技术的发展，拱坝建设规模也不断增大，在近20年中，先后建成了二滩、溪洛渡、锦屏一级等坝高超过200m的特高拱坝。由于特高拱坝水推力巨大，对基础变形与抗滑，结构抗裂与抗震要求更严，现有的2K安全评价，即结构材料强度安全评价和基础抗滑稳定安全评价，难以真实地反映结构受力后的实际安全状态，包括基础抗滑也出现特定滑块的抗滑稳定安全系数不能满足安全控制标准的实例，但实际上这些拱坝也均已经建成并成功安全可靠运行。

现有的规范中，结构材料强度安全系数K定义为：

K＝f_cu,k/S

上式中，f_cu,k为大坝混凝土设计强度标准值，拱坝规范将其定义为90d龄期、15cm立方体试件、80％保证率的单轴抗压强度；S为拱梁法计算出来的大坝主压应力。

显然，拱坝混凝土实际强度值并不等于实验室的设计强度标准值，由于尺寸、龄期、持久荷载、施工等各方面的影响，高拱坝混凝土实际强度值要较设计强度标准值低。同时，为安全起见，当前拱坝设计均要求拱坝工作在材料及结构弹性范围内，因此容许强度的取值又进一步小于混凝土实际强度。同样，拱坝结构拱梁分载法计算应力受方法及参数取值的影响，如温度、水沙等荷载的变化，地基、大坝混凝土材料参数取值，各类计算假定的影响，分级加载路径选择差异和分析方法本身的不完备等等，实际可能最大应力要大于计算出来的大坝主压应力S。

拱坝结构混凝土属大体积混凝土，小试件峰值强度标准值不能代表结构混凝土实际强度，在拱坝设计中个别工程还利用了180天龄期强度，试验获得的强度标准值与实际工程中的结构混凝土强度相差较远，存在明显尺寸效应、龄期效应等。此外，基于拱梁分载法计算出来的拱坝应力与拱坝在实际运行中真正的应力也存在较大差异，因此现规范中的强度安全系数不能代表拱坝结构实际安全度。

对于I级高拱坝的基础抗滑分析，按照常规抗剪断公式计算，其中由摩擦系数提供的抗滑力Nf、以及由凝聚力提供的抗滑力CA随坝高增加的权重并不一致，导致基础抗滑稳定安全计算值失真，这也是个别特高拱坝基础抗滑稳定计算安全系数达不到规范要求3.5的原因之一。另一方面，拱坝结构强度安全系数与基础抗滑稳定安全系数均只反映各自方法下的计算安全度，不能代表拱坝实际的、整体的安全度。

拱坝现有安全评价包含结构材料强度安全度评价以及基础抗滑稳定安全度评价两个方面，现有安全评价方法的缺陷分别如下：

1.结构材料安全度评价

1)现评价方法的结构材料强度取标准试件在标准养护情况下的试验值，并根据一定保证率获得的标准强度，该强度未反映大体积混凝土的结构强度特性。

2)现评价方法的计算应力是指标准工况和设计参数下拱坝拱梁分载法计算应力，该应力未反映结构实际可能潜在的不确定影响因素的影响。

2.基础抗滑稳定安全度评价

1)规范规定I级高坝采用剪摩公式计算基础抗滑稳定安全系数，并给出了安全系数不小于3.5的控制要求，但在实际使用中存在滑移面属性、拱推力等巨大差异，导致基础抗滑稳定安全计算值的失真，这也是个别特高拱坝基础抗滑稳定计算安全系数达不到规范要求的3.5的原因。