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1、重力坝应力计算及稳定分析***（****大学水利工程学院09级水利水电工程专业****）摘要:目前中小型混凝土重力坝设计中普遍采用传统低效率的人工试算,不能得到最优实用剖面。立足中小水电站,以《混凝土重力坝设计规范》为依据,以数值计算软件为平台,以研究混凝土重力坝应力计算和抗滑稳定分析为重点,以结构优化设计理论为基础,以优化参数为条件,以重力坝剖面面积最小优化设计为目标,将材料力学法和有限元等效应力法相结合,刚体极限平衡法辅助整体及局部安全度,论述了基于重力坝应力计算及稳定分析的优化设计软件开发思路和方法,为实际工程设计提供理论指导。关键词:重力坝;应力;稳定;优化设计应力计算和
2、稳定分析作为重力坝优化设计的主要内容,寻求解决坝体安全稳定和工程经济的矛盾,提供设计快捷、施工方便、经济合理的途径。混凝土重力坝应力计算是在坝体断面拟定后,为设计、施工中确定坝体纵缝形式和位置、钢筋布置、解决坝体分区等提供依据判定坝体在运用期和施工期是否满足强度要求,并作为稳定分析的基础。1应力计算混凝土重力坝应力计算的方法有理论计算和模型实验两类,但由于模型实验周期长、费用高,只在重要工程或复杂地质条件下才有必要进行。理论计算法分为材料力学法、解析法(弹性理论法和弹塑性理论法)和有限元法等。解析法理论上是精确的,但对实际工程复杂的边界条件几乎无法计算,往往也是简化边界条件而使计
3、算也不精确。1.1材料力学法材料力学法有3条基本假定:坝体混凝土为均质连续各向同性的弹性材料；视坝段为固结于地基上的悬臂梁,不考虑坝基变形对坝体应力的影响；水平断面上的垂直应力成直线分布,不考虑廊道等对坝体应力的影响。依据这三条假定,把坝体视为悬臂梁由平衡条件可求出各点的分应力和主应力。由于未考虑地基刚度对坝体应力的影响,不能计算基础内的应力,所求出的应力不能严格满足相容条件。材料力学法虽然是一种近似的计算方法,但至今仍被认为是计算重力坝应力和设计坝剖面的基本的常用方法,《规范》中关于坝体应力控制指标的规定是以材料力学法的计算成果为主要依据,计算经验也表明用材料力学法计算的应力在
4、坝体上部比较准确,在坝体的下部由于受到基础的影响而有误差,能解决从重力坝坝顶开始70%左右范围内的应力解答,在坝高2/5以上材料力学应力解与有限元应力解基本趋于一致,对70m以下的坝一般只用材料力学法即可。1.2有限元法随着计算机飞速发展,有限元法在工程计算领域得到了广泛的应用。《规范》规定对于高坝尤其当地质条件复杂或者不能作为平面问题处理的坝体或坝段,以及其它不能用材料力学方法计算时应采用模型试验或采用有限元法等其它合适的方法进行计算。采用有限单元法计算应力,网格愈密应力集中程度愈高,坝踵或上游折坡点等坝体角缘部位的应力过于集中,特别在坝踵处主拉应力值失真、奇异。同时由于混凝土
5、重力坝最大应力通常在坝面部位,因而规定某一个值对作为应力控制指标是不可能的,所以多年来有限元法计算成果在坝工设计中的应用受到限制,有限元等效应力法成为发展和应用的必然。根据等效应力的各阶距与有限元应力相应的各阶距相等的条件,提出将重力坝建基面有限元应力转换为非线性等效应力。有限元等效应力法可以得到比较稳定的坝踵应力值,解决坝踵应力随网格的变化而变化的问题;同时根据拱坝计算中的有限元等效应力法以及重力坝计算的材料力学法,也可以采用将有限元法计算所得应力合成大坝建基面内力,然后用材料力学公式反求出对应的线性化应力的方法来计算重力坝建基面的等效应力。但因有限元等效应力法是基于线性假设,
6、随着计算层面位置的提高,有限元等效应力不能够准确地反映坝体的受力状态,材料力学法的计算结果反而更加准确;有限元等效应力法计算出来的建基面上的应力数值稳定、精确,可以作为衡量坝体建基面上强度的一种指标。2抗滑稳定分析重力坝的应力应变状态及其坝基的稳定问题一直是设计和工程界十分关注和重视的问题。当坝基内存在可能导致沿基岩内部滑动的不利的软弱结构面时，大坝的抗滑稳定问题便成为了大坝安全的控制因素。由于坝基的复杂性和勘探测试手段的局限性,长期以来对于地基问题主要依据经验估算进行设计。随着勘测技术的发展,高速度、大容量的电子计算机的出现,使设计工作正由定性估计向定量分析迈进。2.1刚体极限
7、平衡法刚体极限平衡法将失稳块体视为一个或若干个作整体滑移的刚体,研究它达到临界失稳状态下估算其稳定性。该方法能较好地解决单一平面的滑移面的稳定性,但滑动面要先假定,通过试算确定危险滑动面。滑动面岩土力学参数的确定具有一定人为性、滑动面上的所有点同时进入滑动状态,与实际情况不符;不能确定坝基相应的变位、应力分布和破坏机理。刚体极限平衡法目前是计算坝体抗滑稳定的基本方法,可利用强度折减法计算重力坝抗滑稳定,并有相应合理的设计公式。2.2有限单元法线弹性的有限元分析由于没有考虑坝体和坝
