蓄水期和运行期库盆变形机制及对高拱坝安全的影响

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1、蓄水期和运行期库盆变形机制及对高拱坝安全的影响(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：潘元炜指导教师：杨强教授二○一五年五月ReservoirDeformationMechanismduringImpoundmentandOperationandItsInfluencetoSafetyofHighArchDamDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinHydrauli

2、cEngineeringbyPanYuanweiDissertationSupervisor:ProfessorYangQiangMay,2015摘要摘要目前我国高拱坝逐步进入蓄水期和运行期。锦屏一级、溪洛渡等高拱坝的蓄水过程引发了显著的库盆变形，蓄水完成后仍有持续的谷幅收缩，影响高拱坝当前工作性态和长期安全状况。拱坝设计方法中关于库盆变形的影响尚未有系统性的评价标准。本文研究了蓄水初期裂隙岩体变形机制，初步解释了谷幅收缩等库盆变形现象，并提出了基于极限分析思想的高拱坝长期稳定性评价方法。主要工作和创新性成果如下：(1)将变形加固理论拓展到含多裂纹结构体的稳定性分析，采用塑性余能评

3、价整体稳定性，采用不平衡力分析裂纹起裂、贯通、破坏的过程。开展了含预置裂纹试块受压破坏和高拱坝超载破坏的数值研究，并与模型试验结果进行对比，分析了拱坝坝踵开裂以及坝身裂缝扩展的可能性。对比结果验证了该方法在拱坝稳定性和开裂破坏分析中的有效性，为蓄水期和运行期的高拱坝安全评价提供了理论基础。(2)总结了高拱坝蓄水期库盆变形规律和常规有限元计算难以模拟的原因。在弹塑性模型屈服条件中考虑静水压力作用，并应用于锦屏一级拱坝蓄水期库盆变形数值分析。计算结果与监测结果进行对比良好，初步解释了谷幅收缩、库盆沉降等现象。(3)探索了裂隙水压力作用的细观机制。非贯通裂隙中的水压力是自平衡力系，改变了

4、岩体平衡状态，使库盆岩体产生塑性变形。通过多方文献、监测资料和计算结果论证了这一观点。在此基础上，分析了蓄水期库盆变形对锦屏拱坝安全的影响，并提出了岩体强度参数反演的初步思路。(4)针对运行期库盆时效变形作用下的拱坝安全问题，提出边界位移法和变刚度的强度折减法。边界位移法在模型边界解除约束，施加固定位移，模拟库盆长期时效变形；变刚度的强度折减法基于弹塑性模型和流变模型之间的内在联系，具有完备的理论基础。这两种方法分别采用超载法和强度折减法的研究思想，对库盆和高拱坝的长期极限状态进行分析和评价。(5)采用黏弹-塑性流变本构模型，对锦屏一级高拱坝运行期库盆变形及对坝体的影响开展数值研究

5、。基于流变计算结果，应用边界位移法和考虑变刚度的强度折减法对拱坝进行极限分析。结果表明，库盆长期变形在一定范围内对拱坝整体稳定是有利的。关键词：库盆变形；裂隙岩体；变形加固理论；高拱坝开裂；长期稳定性IAbstractAbstractThehigharchdamsinChinaaregraduallygoingthroughtheimpoundingandoperationperiods.NoteworthydeformationofreservoirslopeswasobservedduringimpoundmentofJinping-IandXiluoduhigharchdam

6、s,andafterwardsthevalleywidthskeptdecreasing.Thedeformationaffectscurrentworkingbehaviorandlong-termsafetyofthedams.However,evaluationcriterionfortheinfluenceofreservoirdeformationisstilllimitedinthedesignmethodofarchdam.Inthispaper,thedeformationmechanismoffracturedrockmassduringinitialimpoun

7、dmentisexplored,andvalleywidthreductionandsomeotherphenomenaofreservoirdeformationareexplained.Basedonthelimitanalysistheory,someevaluationmethodsforlong-termstabilityofhigharchdamarepresented.Themajorachievementsarelistedasbelow:(1)The