高拱壩早期應力特性和仿真分析及應用研究

認為拱壩開裂的主要根源在于對混凝土復合材料的熱學和力學相關(guān)特性認識不徹底,應從微細觀機理出發(fā)，加強拱壩全級配混凝土絕熱溫升、非線性溫度、濕度、自生變形、干縮變形、濕脹變形和徐變以及相應的溫度應力、干縮應力、自生變形應力、濕脹應力和徐變應力的應用基礎(chǔ)研究，其中要考慮混凝土齡期、自身溫度、成熟度、濕度、環(huán)境條件變化等因素的影響，準確確定混凝土邊界條件特性和同時受齡期、溫度及成熟度影響的絕熱溫升、彈性模 2100433B

針對高拱壩在快速施工與建設(shè)管理中存在的關(guān)鍵科學問題，重點研究綜合考慮溫度控制、施工導流、結(jié)構(gòu)型式、機械設(shè)備和澆筑能力等復雜約束條件下高拱壩的施工特征、施工系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)全局優(yōu)化理論、施工全過程動態(tài)仿真與優(yōu)化理論以及施工動態(tài)實時控制理論。采用面向時間仿真和面向?qū)ο蠓抡嫦嘟Y(jié)合的思路，開展高拱壩施工過程與溫度應力耦合仿真計算分析研究；針對高拱壩施工過程的不確定性和經(jīng)驗性強等特征，開展智能動態(tài)仿真與自適應動 2100433B

本項課題研究內(nèi)容為裂隙巖體滲流應力耦合特性及分析研究，以試驗為基，注重理論分析和歸納。通過滲流應力耦合試驗，提出滲流應力耦合關(guān)系式，并用于龍灘高碾壓砼壩斷面優(yōu)化招標設(shè)計。首次提出裂隙巖體四自由度全耦合分析方法，突破目前普遍采用的滲流場和應力場分開計算，交叉迭代的計算程式，成為目前較完善的分析方法，編制了相應程序可資歷應用，完成交叉裂隙水流模型試驗，建立了交叉水流局部水頭損失的理論模式及相應的修正系數(shù)，改進完善了網(wǎng)絡(luò)滲流的計算，澄清了網(wǎng)絡(luò)裂隙水流計算中是否要考慮交叉引起的水冰損失的爭論。本研究豐富了巖石力學內(nèi)容，促進裂隙水力學發(fā)展起到積極作用。成果理論水平高，有較好的應用前景。培養(yǎng)了高層次人才。 2100433B

拱壩是一個空間彈性殼體，其幾何形狀和邊界條件都很復雜，難以用嚴格的理論計算求解拱壩壩體應力狀態(tài)。在工程設(shè)計中，常作一些必要的假定和簡化，使計算成果能滿足工程需要。拱壩應力分析的常用方法有圓筒法、純拱法、拱梁分載法、殼體理論計算方法、有限單元法和結(jié)構(gòu)模型試驗法等。

(1)純拱法：假定拱壩由許多互不影響的獨立水平拱圈組成，不考慮梁的作用，荷載全部由拱圈承擔。計算簡單，但結(jié)果偏大，尤其對厚拱壩。對薄拱壩和小型工程較為適用。(2) 拱梁分載法：假定拱壩由許多層水平拱圈和鉛直懸臂梁組成，荷載由拱梁共同承擔，按拱、梁相交點變位一致的條件將荷載分配到拱、梁兩個系統(tǒng)上。梁是靜定結(jié)構(gòu)，其應力容易計算；拱的應力則按彈性固端拱進行，計算結(jié)果較為合理，但計算量大，需借助計算機，適于大、中型拱壩。

(3)拱冠梁法：最簡單的拱梁分載法，可采用拱冠梁作為所有懸臂梁的代表與許多拱圈組成拱梁系統(tǒng)，按拱、梁交點徑向線變位一致的條件來建立變形協(xié)調(diào)方程, 并進行荷載分配, 可大大減少工作量。

(4)殼體理論計算方法：采用殼體理論計算拱壩應力的近似方法，早在30年代就由P托克爾提出。由于壩體形狀和幾何尺度的變化以及邊界條件的復雜性，使這一方法受到很大限制。近年來由于計算機技術(shù)的發(fā)展，使這一方法取得了新進展。網(wǎng)格法就是應用有限差分解算殼體方程的一種計算方法，它適用于薄拱壩。中國廣東泉水雙曲拱壩用網(wǎng)格法進行應力計算，效果較好。

(5)有限單元法：將地基和壩體劃分為有限數(shù)量的單元，以節(jié)點相連接，用離散模型代替連續(xù)體結(jié)構(gòu)進行壩內(nèi)各單元的應力和變位計算，能正確反映施工過程對應力的影響，能解決復雜邊界條件和材料不均勻的問題，適用而有效，但計算量相當大，必須借助于計算機才能完成。