混凝土坝安全评估与监控方法的改进

混凝土坝安全评估与监控方法的改进当前矛盾：建坝规模、高度空前安全评估方法：陈旧重力坝，材料力学方法拱坝，多拱梁法抗滑稳定，刚体极限平衡70年前老方法1.仪器观测不能给出应力场和安全系数1.1仪器测点太少总共：20坝段观测剖面：3个（应变计，温度，渗压计）无测点：17个1233层，每层3~4测点每点：3、5、7向应变计水工结构书本：应力简单实际应力：复杂原因：分层施工温度变化观测剖面应变计测点图1景洪重力坝三维仿真计算第一主应力包络图（MPa）图2陈村重力坝18坝段顺河剖面第一主应力包络图（MPa）1.2应变计有效率较低因素：仪器埋设基准值取值自生体积变形仪器维护运行期，应变计有效率较低每点6个应力分量，需6个应变分量反算7个应变计，坏2支，算不出6个应力分量小结：（1）应变计：很难测出应力场全貌不能给出安全系数作用：监控校核（2）可用观测资料：变位，温度，场压力不能给出大坝应力场、安全系数（3）安全系数计算：设计规范方法2.目前采用的安全评估方法重力坝应力——材料力学法拱坝应力——拱梁分载法抗滑稳定——刚体极限平衡法七、八十年以前的老方法优点：积累了一定实用经验缺点：不能反映真实应力状态2.1现行安全评估方法的缺点（1）没有考虑：施工温度应力、施工过程（2）只考虑：坝面水压力未考虑：地基水荷载、地应力、基础开挖、处理（3）抗滑稳定：只考虑力的平衡未考虑应力状态、坝与基础相互影（4）拱梁分载法采用Vogt系数，太粗糙不能考虑渗流、地应力、断层、节理（5）忽略了非线性温差（6）不能考虑非线性变形、裂缝、接缝影响评估结果：脱离实际有的工程：质量很差，问题很多评估结果：安全系数相当大3.全坝全过程有限元仿真的安全评估(1)力学特性：弹性变形、徐变、非线性变形(2)屈服准则：混凝土—五参数准则岩体—带抗拉强度的Druker-Prager准则节理、接缝——Mohr-Coulumb准则(3)全坝仿真：拱坝全部坝段，重力坝单个坝段(4)全过程仿真：开工—施工—运行气候变化、温度控制、接缝开合、裂缝、地应力、施工质量(5)荷载：自重、温度、水压力、渗流场、地应力(6)反分析：充分利用观测资料反算材料热学、力学参数(7)安全评估：超载或降强，非线性计算至破坏，安全系数全过程有限元仿真安全评估特点1.充分反映实际情况2.充分利用观测资料3.安全评估结果符合实际基于全过程仿真的安全评估与监控设计阶段：考虑施工过程施工阶段：全坝、全过程仿真运行阶段：反分析+全坝全过程仿真设计阶段1.优化设计方案反映：各种复杂因素施工过程2.避免事故梅花坝响水坝柯茵布兰坝托拉坝施工阶段1.了解施工期温度场、应力场2.预报运行期应力场3.发现问题，及时处理运行阶段安全评估切合实际陈村拱坝陈村拱坝：坝高76.3m，弧长419m，28个坝段施工：1958～19621968～1972完工1978加高1.3m缺乏温控，未冷却即灌缝水平裂缝：高程105m，长300m，深5m高程111.5m，长200m，深10m坝顶竖向裂缝：深8m基础：4条大断层图7.1.2陈村大坝整坝网格示意图图7.1.4陈村拱坝横缝、施工缝、坝体裂缝单元示意图图7.3.1夏季上游面主应力分布云图（单位：t/m2）图7.3.2夏季下游面主应力分布云图（单位：t/m2）图7.3.3夏季坝体剖面σ1应力分布云图（单位：t/m2）图7.3.4冬季上游面主应力分布云图（单位：t/m2）图7.3.5冬季下游面主应力分布云图（单位：t/m2）图7.3.6冬季坝体剖面应力分布云图（单位：t/m2）MY4681012942468101295246810129624681012972468101298246810129924681012002468101201246810120224681012032468101204-30.0-25.0-20.0-15.0-10.0-5.00.05.010.015.020.0观测值计算值位移(mm)图818坝段坝顶径向位移计算值与实测值比较图图11.3.35考虑初应力冬季水压超载结构破坏时上游面损坏分布图图11.3.36考虑初应力冬季水压超载结构破坏时下游面损坏分布图(a)11坝段(b)18坝段(c)21坝段图11.3.37考虑初应力冬季水压超载结构破坏时11、18、21坝段剖面损坏分布图超载系数：考虑应力历史：冬季1.80夏季1.91不考虑应力历史：2.17常规多拱梁计算：压应力安全系数12.34丰满重力坝丰满重力坝：坝高91.7m，全长1080m1937—1945，浇89%1948—1953，复建无冷却纵缝未灌浆，220m以上无键槽施工质量低裂缝多176267.7m176267.7m47坝段施工期温度和应力结果（℃）施工期最大温度包络图（℃）施工期第一主应力包络图(t/m2)运行期温度场1990-2005年最低温度包络图(负温)下游面负温区水平向深约4.5m运行期夏季第一主应力等值线坝体内部出现拉应力区，纵缝及施工缝缝面局部拉应力0.2MPa。运行期冬季第一主应力等值线坝体表层混凝土受拉，局部区域拉应力0.8MPa。纵缝面开合状态冬季夏季纵缝在靠近下游面区域冬季张开、夏季闭合，坝体内部区域处于大范围（70%）的张开状态。大面积纵缝的张开使坝体受力条件恶化，整个大坝不能整体受力，对坝体整体性和安全不利。设计水位＋地震纵缝缝面大面积受拉坝踵出现大面积拉应力区，最大拉应力值约1.0MPa坝体表层混凝土受拉。坝踵出现大面积拉应力区，最大拉应力值达1.2MPa温升温降按规范计算：材料力学方法：无拉应力常规有限元：拉应力深度为底宽的0.02倍规范0.07倍抗滑稳定：K=2.82规范K=3.0全过程仿真计算，最后超载(1)考虑应力历史：超载系数k=1.1(冬季)，1.14(夏季)(2)不考虑应力历史：k=1.67(3)下游加厚4m，k=2.33(4)严格温控，有键槽，灌浆，质量良好k=3.26