2016/7/30 1 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 前 言 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 于年首次發(fā)布 ， 年作了局部修訂 ， 根據(jù)原水利電力部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院 （ ） 水規(guī)設(shè)字第號文的要求及 水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) （ 簡稱 水工統(tǒng)標(biāo) ） 規(guī)定的原則全面修訂 。 新規(guī)范對混凝土重力壩設(shè)計(jì)作出了規(guī)定 。通過新規(guī)范的實(shí)施 ， 在混凝土重力壩的設(shè)計(jì)中貫徹國家的有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策 ， 做到安全實(shí)用 、 經(jīng)濟(jì)合理 、技術(shù)先進(jìn) 、 確保質(zhì)量 。 新規(guī)范對 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 及其年補(bǔ)充規(guī)定（ 簡稱 原規(guī)范 ） 作了重大修訂 。 第 一 節(jié) 混凝土重力壩設(shè)計(jì)新規(guī)范 一、設(shè)計(jì)規(guī)范修訂概述 新 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 （ 2000 年 7月 1日起實(shí)行，替代原 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 （ 同時(shí)替代原 碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則 （ 5005 修訂目的 ： 1、與國內(nèi)外有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范接軌 我國己于 1994年頒布了 水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) ，這是高一個(gè)層次的國家標(biāo)準(zhǔn)。因此，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范要根據(jù) 水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 重新修訂。 水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 是采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，是與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織及國際結(jié)構(gòu)安全聯(lián)合委員會（ 出的 工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 接軌。 2 、為了體現(xiàn)混凝土重力壩設(shè)計(jì)當(dāng)前國內(nèi)外先進(jìn)水平 自 1985年以來，國內(nèi)外混凝土重力壩設(shè)計(jì)與施工技術(shù)發(fā)展很快，尤其是筑壩材料、溫控防裂、壩下消能等進(jìn)展顯著，國外的重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范經(jīng)修訂后更趨先進(jìn)。 為了體現(xiàn)混凝土重力壩設(shè)計(jì)當(dāng)前國內(nèi)外先進(jìn)水平，積極引進(jìn)國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，從 1994年起開始修訂舊規(guī)范，歷經(jīng)六稿， 2000年 6月定稿。經(jīng)國家批準(zhǔn)，新規(guī)范從 2 000年 7月 1日起實(shí)行。 二、作了哪些修訂 1 、采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，以分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則替代原規(guī)范的定值法設(shè)計(jì)原則。 2 、修訂了壩基巖體分類，提供了各種層面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值。 3 、增加了基巖深層抗滑穩(wěn)定分析方法和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式。 4 、增加了結(jié)構(gòu)分析有限單元方法并提出了設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)。 5 、增加了多種消能型式和壩身泄水孔的體型設(shè)計(jì)。 6 、修訂了地基處理設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 7 、采用混凝土強(qiáng)度等級取代混凝土標(biāo)號。 8 、增加了碾壓混凝土壩的設(shè)計(jì)部分。 三、與 重力壩新設(shè)計(jì)規(guī)范配套使用的標(biāo)準(zhǔn) 1 、 水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 2 、 防洪標(biāo)準(zhǔn) 3 、 水工混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范 4 、 水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 5 、 水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范 6 、 水利水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 7 、 水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程 四 、結(jié)構(gòu)的 極限狀態(tài)簡介 (一 )承載能力極限狀態(tài) 出現(xiàn)下列狀況之一 ,即超過了承載能力極限狀態(tài) 1、整個(gè)結(jié)構(gòu)或某部分作為剛體失去平衡； 2、結(jié)構(gòu)因超過材料強(qiáng)度而破壞； 3、結(jié)構(gòu)因塑性變形過大而不能繼續(xù)承載； 4、結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)； 5、結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定； (二 )正常使用極限狀態(tài) 出現(xiàn)下列狀況之一 ,即超過了正常使用極限狀態(tài) 1、影響正常使用或外觀變形； 2、影響正常使用的局部破壞 （如裂縫）； 3、影響正常使用的振動(dòng)； （三）結(jié)構(gòu)的 極限狀態(tài)功能函數(shù)表達(dá) 在結(jié)構(gòu)的可靠度分析中， 結(jié)構(gòu)的 極限狀態(tài)功能函數(shù)表達(dá)如下： Z=G(x1, x1, Z=RS Z 功能函數(shù)； R 抗力函數(shù)； S 作用效應(yīng)函數(shù)； Z 0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)； Z=0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)； Z 0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。 第二節(jié) 混凝土重力壩斷面設(shè)計(jì) 混凝土重力壩一般以材料力學(xué)法和剛體極限平衡法計(jì)算成果作為確定壩體斷面的依據(jù) 。高壩除用材料力學(xué)法計(jì)算壩體應(yīng)力外 ， 尚宜采用有限元法進(jìn)行計(jì)算分析 ， 必要時(shí)可采用結(jié)構(gòu)模型 、 地質(zhì)力學(xué)模型等試驗(yàn)驗(yàn)證 。 修建在復(fù)雜地基上的中壩 ， 必要時(shí) ， 可進(jìn)行有限元分析 。 重力壩的斷面原則上應(yīng)由持久狀況控制，并以偶然狀況復(fù)核，此時(shí)，可考慮壩體的空間作用或采用其它適當(dāng)措施，不宜由偶然狀況控制設(shè)計(jì)斷面。地震作用組合下的偶然狀況應(yīng)符合的有關(guān)規(guī)定。 分期施工投入運(yùn)行的壩，強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)按持久狀況計(jì)算。一期施工而分階段投入運(yùn)行的壩，應(yīng)研究施工期作用于壩上的作用，壩的未完建斷面（臨時(shí)運(yùn)行斷面）的強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)按短暫狀況計(jì)算。設(shè)計(jì)規(guī)定的壩體及其構(gòu)件的施工程序，不宜使施工期產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致增加壩體斷面。 寬縫重力壩可用材料力學(xué)法計(jì)算壩體應(yīng)力 ，局部區(qū)域如頭部附近等部位 ， 也可用有限元法計(jì)算 ， 并允許在離上游面較遠(yuǎn)部位出現(xiàn)不超過壩體混凝土允許的拉應(yīng)力 。 空腹重力壩可用結(jié)構(gòu)力學(xué) 、 材料力學(xué)法和有限元法計(jì)算壩體應(yīng)力 ， 并用模型試驗(yàn)驗(yàn)證 。所得應(yīng)力成果應(yīng)避免特別不利的應(yīng)力分布狀態(tài) 。 有橫縫的重力壩，其強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)按平面問題考慮，可取一個(gè)壩段或取單位寬度進(jìn)行計(jì)算。 不設(shè)橫縫或橫縫灌漿的整體式重力壩的穩(wěn)定計(jì)算可按整體式進(jìn)行 ， 其強(qiáng)度計(jì)算可用試載法；在復(fù)雜空間受力條件下 （ 河谷斷面 、 作用和基礎(chǔ)反力不對稱等 ） ， 其應(yīng)力狀態(tài)可按空間問題用有限元法或試驗(yàn)確定 。 廠壩連接的壩后式廠房 ， 在壩的穩(wěn)定核算中 ， 可考慮廠壩聯(lián)合的抗滑作用 。廠房作用于壩上的抗滑力 ， 可根據(jù)廠壩整體分析的應(yīng)力狀態(tài)確定 。 一、斷面設(shè)計(jì)原則 1 、 采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，各基本變量均應(yīng)作為隨機(jī)變量，以分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)為實(shí)用方法。 2 、 建立 極限狀態(tài)方程，但仍以原規(guī)范的計(jì)算方法為基礎(chǔ)。 3 、 斷面 設(shè)計(jì)不但要滿足抗滑穩(wěn)定和壩趾抗壓強(qiáng)度等承載能力極限狀態(tài)，還要滿足壩踵應(yīng)力不出現(xiàn)拉應(yīng)力的正常使用極限狀態(tài)。 4 、 斷面 設(shè)計(jì)應(yīng)考慮荷載的持久狀況 、短暫 狀況和偶然狀況，并考慮其相應(yīng)的荷載組合。 5 、 對 持久狀況應(yīng)考慮承載能力和正常使用極限狀態(tài)，對 短暫 狀況和偶然狀況，只考慮承載能力極限狀態(tài)。 二、 重力壩上的作用及其分類與組合 （一）作用按時(shí)間的變異分類： 1 、永久作用 （ 1）自重 （ 2）土壓力 （ 3）淤沙壓力 （ 4）地應(yīng)力 （ 5）圍巖壓力 （ 6）預(yù)應(yīng)力 2 、可變作用 （ 1）靜水壓力 （ 11）工作橋上活荷載 （ 2）揚(yáng)壓力 （ 12）橋機(jī)門機(jī)荷載 （ 3）動(dòng)水壓力 （ 13）溫度作用 （ 4）水錘壓力 （ 14）土壤孔隙水壓力 （ 5）浪壓力 （ 15）灌漿壓力 （ 6）外水壓力 （ 7）風(fēng)壓力 （ 8）雪壓力 （ 9）冰壓力 （ 10）凍脹力 重力壩作用荷載圖 自重 揚(yáng)壓力 垂直水荷載 水平水荷載 垂直水荷載 水平水荷載 淤沙高程 淤撒哈 泥沙壓力 地震力 浪壓力 3 、偶然作用 （ 1）地震作用 （ 2）校核洪水位時(shí)水荷載 （二）作用組合 1 、基本組合 基本組合按永久作用和可變作用的組合： （ 1）自重 （ 6）動(dòng)水壓力 （ 2）土壓力 （ 7）浪壓力 （ 3）淤沙壓力 （ 8）冰壓力 （ 4）靜水壓力 （ 9）其它機(jī)會出現(xiàn)較多的荷載 （ 5）揚(yáng)壓力 2 、偶然組合 偶然組合應(yīng)在基本組合下計(jì)入下列一個(gè)偶然作用 （ 1）地震作用 （ 2）校核洪水位時(shí)水荷載 （ 3）其它機(jī)會出現(xiàn)很少的荷載 （三）按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)壩體斷面時(shí)，應(yīng)計(jì)算基本組合和偶然組合兩種組合。 （四）持久久狀況正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)壩體斷面時(shí)，應(yīng)按長期組合計(jì)入有關(guān)作用進(jìn)行計(jì)算。 （五）壩體在施工和檢修時(shí)應(yīng)按短暫狀況承載能力極限狀態(tài)的基本組合和正常使用極限狀態(tài)的短期組合進(jìn)行計(jì)算。 長期組合： 永久作用 和可變作用 的長期作用組合 短期組合： 永久作用 和可變作用 的 短 期作用組合 三、 壩體強(qiáng)度和穩(wěn)定承載能力極限狀態(tài)計(jì)算 （ 一） 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算包括 ： 1 、 壩體及壩基強(qiáng)度計(jì)算 2 、 壩體與壩基接觸面抗滑穩(wěn)定計(jì)算 3 、 壩體層面抗滑穩(wěn)定計(jì)算 4 、 壩基深層結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定計(jì)算 （二）對基本組合，應(yīng)采用如下極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式： （三）對偶然組合，應(yīng)采用如下極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式： （四）壩趾抗壓強(qiáng)度承載能力極限狀態(tài)計(jì)算 （五） 壩體任一 計(jì)算 截面下游端點(diǎn)抗壓 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算 （ 六） 壩體混凝土與基巖接觸面的抗滑穩(wěn)定 極限狀態(tài)計(jì)算 （七） 壩體混凝土層面（包括常態(tài)混凝土水平施工縫或碾壓混凝土層面）的抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)： 四、 壩體正常使用極限狀態(tài)計(jì)算 （ 1） 正常使用極限狀態(tài)作用效應(yīng)短期組合用如下表達(dá)式： （ 2） 正常使用極限狀態(tài)作用效應(yīng)長期組合采如下表達(dá)式： （ 3）壩踵垂直應(yīng)力不出現(xiàn)拉應(yīng)力 正常使用情況拉應(yīng)力計(jì)算公式 ： 式中 ： ： 壩基面上形心軸到上游面的距離； 計(jì)算截面上作用對截面 形心的力矩之和； 計(jì)算截面對 形心軸的慣性矩； （ 4）壩體 上游面 垂直應(yīng)力不出現(xiàn)拉應(yīng)力 正常使用情況拉應(yīng)力計(jì)算公式 ： 式中 ： 計(jì)算截面上作用對截面 形心的力矩之和； ： 計(jì)算截面 形心軸到上游面的距離； 計(jì)算截面對 形心軸的慣性矩； （ 5） 短期組合下 游 壩 面 垂直拉應(yīng)力不超限 正常使用情況拉應(yīng)力計(jì)算公式 ： 式中 ： 計(jì)算截面上作用對截面 形心的力矩之和； 計(jì)算截面 形心軸到下游面的距離； 計(jì)算截面對 形心軸的慣性矩； 水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級別 水工建筑物級別 水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級別 1 2， 3 4， 5 大壩常態(tài)混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 強(qiáng)度種類 符號 大壩常態(tài)混凝土強(qiáng)度等級 10 心抗壓 大壩碾壓混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 強(qiáng)度種類 符號 大壩 碾壓 混凝土強(qiáng)度等級 10 軸心抗壓 第三節(jié) 混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定 極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 (壩基有軟弱夾層的混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析方法和設(shè)計(jì)安全指標(biāo)沒有作出具體的規(guī)定 ， 根據(jù) 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 (1編工作計(jì)劃 ， 修訂后的規(guī)范應(yīng)對混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定提出計(jì)算公式和設(shè)計(jì)安全指標(biāo) 。 根據(jù)已頒布實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn) 水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) (0199 94)的要求 ， 對混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定問題 ， 也應(yīng)采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法 ， 且以分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法作為實(shí)用方法 。 當(dāng)壩基巖體內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面 、 緩傾角裂隙及壩下游經(jīng)沖刷形成臨空面等情況時(shí) ， 需核算深層抗滑穩(wěn)定 。 根據(jù)滑動(dòng)面 、 臨空面 、 尾巖抗力條件綜合分析基本地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型后 ， 分單斜面 、 雙斜面和多斜面計(jì)算模式 ， 除用剛體極限平衡法計(jì)算外 ， 必要時(shí) ， 可輔以有限元法 、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法等核算深層抗滑穩(wěn)定 ， 并進(jìn)行綜合評定 。 核算壩基深層抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)時(shí)，根據(jù)規(guī)定，應(yīng)按材料的標(biāo)準(zhǔn)值和作用的標(biāo)準(zhǔn)值或代表值分別計(jì)算基本組合和偶然組合。 1. 混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定 安全度評價(jià)現(xiàn)狀 1 1 剛體極限平衡法和廣義文克爾地基法 這類方法把壩體和基巖看作若干塊剛體組成 ， 以某些交接面作為可能的滑動(dòng)面 ， 通過建立滑動(dòng)體極限狀態(tài)方程并利用純摩公式 、 剪摩公式或一些改進(jìn)公式得到安全系數(shù) 。 安全系數(shù)可分為超載法安全系數(shù) 超載法安全系數(shù) 時(shí) ， 滑動(dòng)面處于極限狀態(tài)； 指滑動(dòng)面強(qiáng)度指標(biāo)減少 后 ， 滑動(dòng)面處于極限狀態(tài) 。 計(jì)算方法有被動(dòng)抗力法 、 剩余推力法 、 等安全系數(shù)法 、廣義文克爾地基法 、 瞬時(shí)中心滑動(dòng)法等 ， 還有考慮壩趾巖體塑性作用的剛塑性極限平衡法等等 。 通過大量計(jì)算分析后建議以強(qiáng)度儲備法中等安全系數(shù)法 (簡稱等 作為重力壩深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算的基本方法 。 并建議用剪摩公式計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)安全系數(shù) 基本荷載組合特殊荷載組合 )作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo) 。 1 2 有限元 (邊界元 、 無窮元 )法 在設(shè)定的荷載作用下 ， 用有限元 (邊界元 、 無窮元 )對大壩及基礎(chǔ)的實(shí)際性狀進(jìn)行模擬計(jì)算 ， 計(jì)算時(shí) ， 沿可能的滑動(dòng)面分段 ，求出分段的法向正應(yīng)力和剪應(yīng)力 。 設(shè)某分段的長度為 L， 則這一分段的阻滑力為(f+c) L， 滑動(dòng)力沿滑動(dòng)面求和可以得出比值安全系數(shù) 。 類似于剛體極限平衡法，當(dāng)提高水平推力致使滑動(dòng)面破壞，可得到超載法安全系數(shù) 降低滑動(dòng)面材料強(qiáng)度致使滑動(dòng)面破壞時(shí)，可得到強(qiáng)度儲備法安全系數(shù) 可同時(shí)增加水平荷載和降低滑動(dòng)面材料強(qiáng)度致使滑動(dòng)面破壞，得到綜合的安全系數(shù) K= 模型試驗(yàn)法 通常采用石膏模型 ， 并墊入夾層以反映軟弱帶的影響 ， 以超載法測定安全系數(shù) 由于受模型材料的限制 ， 不容易按需要任意規(guī)定材料的力學(xué)參數(shù) ， 更難以在試驗(yàn)過程中反復(fù)再改材料的力學(xué)指標(biāo) 。 因此 ， 模型試驗(yàn)法一般與數(shù)值計(jì)算法配合使用 ， 相互驗(yàn)證 。 可靠度分析法 在重力壩深層抗滑穩(wěn)定可靠度分析方面 ， 張鏡劍等人首先作了有益的探討；黃東軍曾對安康水電站工程廠房壩段重力壩進(jìn)行了深層抗滑穩(wěn)定可靠度分析；吳世偉等人采用有限元法為基礎(chǔ)的最大可能破壞模式研究了重力壩 (含基礎(chǔ) )可靠度分析；劉寧等人繼續(xù)前者工作 ， 用同樣方法研究了基礎(chǔ)有軟弱夾層的重力壩深層抗滑穩(wěn)定可靠度 , 高延偉采用剛體極限平衡法研究了單滑動(dòng)面的重力 壩 深 層 抗 滑 穩(wěn) 定 可 靠 度 問 題 。 2. 混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定可靠度分析 剛體極限平衡法是對重力壩深層抗滑穩(wěn)定安全度作一籠統(tǒng)的整體分析，它不能反映地基逐步破壞的機(jī)理、確定相應(yīng)的變位和應(yīng)力分布。但由于計(jì)算比較簡單明了，應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)較多，可以得到一個(gè)整體安全度的概念，目前被廣泛應(yīng)用。規(guī)范把它作為基本方法。 應(yīng)用剛體極限平衡法分析重力壩深層抗滑穩(wěn)定問題 ， 成果應(yīng)該偏于安全 ， 是安全度的下限 。 水工統(tǒng)標(biāo) 規(guī)定 ， 在分析水工結(jié)構(gòu)可靠度時(shí)建立極限狀態(tài)方程應(yīng)以規(guī)范規(guī)定的方法為基礎(chǔ) 。 因此 ， 在研究重力壩深層抗滑穩(wěn)定可靠度時(shí) ， 仍將剛體極限平衡法作為基本方法 。 2 1 極限狀態(tài)方程 地基有軟弱夾層的混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定問題，可分為單滑動(dòng)面、雙斜滑動(dòng)面和多滑動(dòng)面等。單滑動(dòng)面與沿建基面抗滑穩(wěn)定分析方法無大的區(qū)別。雙斜滑動(dòng)面最為典型。多滑動(dòng)面比較復(fù)雜，不常見，用剛體極限平衡法計(jì)算也比較困難。因此，以圖 難論證，當(dāng)其它條件不變時(shí)，滑動(dòng)面 A 點(diǎn)前移、 滑穩(wěn)定安全度將增大。因此，圖 示情況是最危險(xiǎn)滑動(dòng)面組合。 下面以剛體極限平衡法建立極限狀態(tài)方程。 可根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型分析確定控制性滑動(dòng)面進(jìn)行極限狀態(tài)抗滑穩(wěn)定分析。 雙斜滑動(dòng)面為最常見情況，如圖 第四節(jié) 關(guān)于有限元計(jì)算問題 重力壩是古老而重要的壩型 ， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ， 筑壩水平提高 ， 重力壩壩型不斷改進(jìn) ， 由實(shí)體壩發(fā)展到寬縫壩和空腹壩 。 由于壩型的革新 ， 促使壩體設(shè)計(jì)理論做出相應(yīng)地改進(jìn) ，尤其工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和已建工程運(yùn)行觀測資料不斷積累 ， 為設(shè)計(jì)規(guī)范的制訂和修改 ， 提供了條件 ， 有力促進(jìn)了設(shè)計(jì)水平的提高和施工技術(shù)的發(fā)展 。 施工機(jī)械化程度提高加快了混凝土澆筑速度 ， 緩解了該壩型體積大的缺點(diǎn) ， 特別是近年來碾壓混凝土筑壩技術(shù)的發(fā)展 ， 重力壩的施工已變成類似于土石壩的施工一樣 ，采用大型通用機(jī)械運(yùn)送混凝土直接上壩 ， 用振動(dòng)碾碾壓混凝土 ，大大加快了施工進(jìn)度 ， 簡化施工技術(shù) ， 縮短工期 ， 使工程可提前發(fā)揮效益 ， 這一重大的施工改革 ， 為重力壩的建設(shè)輸入了新的 “ 生命力 ” 。 為了適應(yīng)重力壩的新發(fā)展 ， 重力壩的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)規(guī)范中應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) ， 亦必須做出相應(yīng)地修正 。 混凝土重力壩壩體斷面設(shè)計(jì) ， 以前我國與大多數(shù)國家一樣 ， 基本上按允許應(yīng)力和穩(wěn)定極限平衡法計(jì)算選定 。 對于壩體應(yīng)力計(jì)算方法和控制標(biāo)準(zhǔn) ， 我國現(xiàn)行 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 (1 184 規(guī)定 ， 用材料力學(xué)方法計(jì)算壩體應(yīng)力進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)時(shí) ， 壩體上游面最小主應(yīng)力(不計(jì)入揚(yáng)壓力 )應(yīng)等于大于四分之一計(jì)算截面處的靜水頭 (即 1 對于高壩 ，尤其當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時(shí) ， 除用材料力學(xué)方法計(jì)算外 ， 宜同時(shí)進(jìn)行模型試驗(yàn)或采用有限元法進(jìn)行計(jì)算研究 。 現(xiàn)行規(guī)范中對用有限元法計(jì)算壩體應(yīng)力時(shí) ， 沒有制訂出相應(yīng)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) ， 致使計(jì)算成果往往僅作為校核而不能作為設(shè)計(jì)選擇壩體斷面的依據(jù) ， 此其一；第二 ，對用材料力學(xué)法計(jì)算壩體上游面的主應(yīng)力控制指標(biāo) ， 一方面與國外同類設(shè)計(jì)規(guī)范不一致 ， 另一方面亦不再適用于壩體混凝土用薄層攤鋪 、 碾壓施工 、 薄弱層面多的碾壓混凝土重力壩 。 針對上述情況 ， 設(shè)計(jì)規(guī)范中應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) ， 亦必須做出相應(yīng)地修正 。 提出研究內(nèi)容 ， 擬解決：第一 ， 壩體上游面以材料力學(xué)法計(jì)算的主應(yīng)力指標(biāo)為垂直應(yīng)力指標(biāo)；第二 ， 制定用有限元法計(jì)算的壩體建基面及上游面垂直拉向力區(qū)的允許范圍 。 壩體上游面應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) ， 以往國內(nèi)外在同類設(shè)計(jì)規(guī)范中有兩種不同規(guī)定：一是以主應(yīng)力為準(zhǔn) ,二是以垂直應(yīng)力為準(zhǔn) 。 例如 1976以前 ， 原蘇聯(lián) 巖基土混凝土重力壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件( 規(guī)定 ， 上游面應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) ， 不計(jì)揚(yáng)壓力時(shí) ， 主應(yīng)力 1 1985年頒布的 混凝土和鋼筋混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范 代替 1977年規(guī)范 ， 對壩體上游面應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)基本上保持原有規(guī)定 ， 僅壩基接觸面 (包括實(shí)體和寬縫壩 )改為 Y 0. 我國以往設(shè)計(jì)和建成的實(shí)體和寬縫重力壩 ， 對壩體上游面應(yīng)力 ， 均以主應(yīng)力控制 。 1984年以前按 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 (1控制標(biāo)準(zhǔn)為：不計(jì)揚(yáng)壓力時(shí) ， 1= (1984年以后按 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 (184)規(guī)定控制標(biāo)準(zhǔn) ， 不計(jì)揚(yáng)壓力時(shí) ， 1 國內(nèi)外 8個(gè)壩壩基面上游同一點(diǎn)的主應(yīng)力和垂直應(yīng)力成果見表 4 表 41 國內(nèi)外重力壩壩體上游面應(yīng)力 (應(yīng)力單位： 0. 01 工程名稱 壩 高（米） 上游壩面應(yīng)力（不計(jì)揚(yáng)壓力） 上游壩坡 垂直應(yīng)力 y 主應(yīng)力 l 黃龍灘 107 88 ： 0 1： 南鎮(zhèn) 129 ： 嘴 86 ： 0 楓樹壩 ： 0 1： 山（美國） ： 賴恩特（美國） ： 0 1： 思塔（美國） 185 ： 0 1： 特（美國） 61 ： 4 1 國內(nèi)外重力壩壩體上游面應(yīng)力 (應(yīng)力單位： 0. 01 表 國內(nèi)外重力壩壩體上游面應(yīng)力 應(yīng)力單位：表 國內(nèi)外重力壩壩體上游面應(yīng)力 應(yīng)力單位： 由表 41可見： 主應(yīng)力即為垂直應(yīng)力； ： 主應(yīng)力與垂直應(yīng)力十分接近； ： ： 應(yīng)力比垂直應(yīng)力小 。 所以設(shè)計(jì)重力壩時(shí) ， 如果改用垂直應(yīng)力控制 ，一般來說標(biāo)準(zhǔn)略有放寬 ， 這樣亦與壩基截面的上游壩面即壩踵采用垂直應(yīng)力作為控制標(biāo)準(zhǔn)相同；同時(shí) ，與有限元法計(jì)算壩踵附近的應(yīng)力時(shí)定出的允許垂直拉應(yīng)力區(qū)作為控制協(xié)調(diào)一致 。 這樣重力壩上游面無論用材料力學(xué)法或有限元法計(jì)算均可統(tǒng)一取垂直應(yīng)力的計(jì)算值作為控制依據(jù) 。 壩趾 壩踵 自重 荷載組合 揚(yáng)壓力 上下游水壓力 y (X(m) 0 10 5 75 50 0 0 100 圖 44 壩高 110y)沿建基面分布 （用有限元法計(jì)算） （圖中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，應(yīng)力單位 一 、 用有限元法分析時(shí)壩體上游面應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) 1. 問題的指出 現(xiàn)行 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 (1 74條 “ 對于高壩 ， 尤其當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時(shí) ， 除用材料力學(xué)方法計(jì)算外 ， 宜同時(shí)進(jìn)行模型試驗(yàn)或采用有限元法進(jìn)行計(jì)算研究 。 對于修建在復(fù)雜地基上的中 、 低壩亦可根據(jù)需要進(jìn)行上述研究 。 ” 上述規(guī)范中對用有限元法計(jì)算壩體上游面及建基面的上游面的應(yīng)力 ， 沒有制訂相應(yīng)應(yīng)力控制指標(biāo) ， 因而計(jì)算結(jié)果無法用來作為選擇壩體斷面的依據(jù) ， 致使有限元法的應(yīng)用受到了限制 ， 為了充分發(fā)揮本方法的理論嚴(yán)謹(jǐn) 、 計(jì)算方法靈活 、 適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn) ，應(yīng)結(jié)合近個(gè)多年來壩工設(shè)計(jì)上對該方法應(yīng)用經(jīng)驗(yàn) ， 尤其對復(fù)雜地基和復(fù)雜結(jié)構(gòu)上應(yīng)力和變形問題的解決 ， 通過分析研究 ， 制訂一個(gè)控制標(biāo)準(zhǔn) ， 以利于該方法進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用 ， 逐步完善 ， 以適應(yīng)大壩建設(shè)的發(fā)展 。 采取設(shè)計(jì)上有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的材料力學(xué)法對三種有代表性的壩高 ， 在主要荷載的基本組合情況下 ， 選定壩體斷面 ， 然后用有限元法 ， 考慮不同的壩體與壩基彈模之比 ，不同的三角形單元尺寸 ， 不同的荷載及其組合 ， 用線彈性有限元法 ， 并通過工程實(shí)例進(jìn)行分析對比 ， 擬定出有限元的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) 。 2. 有限元法分析內(nèi)容 考慮自重 ， 上 、 下游水壓力和揚(yáng)壓力的基本組合 ，由壩踵應(yīng)力控制指標(biāo)和抗剪摩穩(wěn)定安全度為依據(jù) 。 材料力學(xué)法計(jì)算壩的垂直應(yīng)力沿建基面的分布成果 ; 沿上游壩面的應(yīng)力分布成果 ; 在相應(yīng)荷載組合下主應(yīng)力沿建基面的分布 。 由于上游壩面垂直 ， 沿上游面分布即為沿上游面的分布 。 上述用材料力學(xué)法計(jì)算選定的壩體剖面 ， 用有限元法進(jìn)行專門應(yīng)力分析 ， 選擇典型的計(jì)算方案成果 ，與材料力學(xué)法計(jì)算成果進(jìn)行對比分析 。 有限元法分析采用三角形單元 。 B 典型壩體剖面 選定了三種壩高 190m、 1100 計(jì)算分析了五種單項(xiàng)荷載及其組合： 壩體自重 壩面靜水壓力 上庫底及下游河底靜水壓力 地基滲流體積力 壩底揚(yáng)壓力 。 不考慮溫度荷載 。 有限元分析采用彈性分析方法 。 并選擇壩踵附近單元尺寸最小的計(jì)算結(jié)果 。 應(yīng)力成果為： 從上述計(jì)算成果可見： 沿建基面各單項(xiàng)荷載及其組合作用下，材料力學(xué)法計(jì)算，均為直線分布且為壓應(yīng)力；而有限元法計(jì)算，壩踵處應(yīng)力集中明顯，荷載組合下有較大拉應(yīng)力，但衰減很快，除了壩踵附近區(qū)外，與材料力學(xué)法成果相比，分布趨勢是較一致的，分布曲線較平緩，而材料力學(xué)法為直線分布。 用有限元法計(jì)算成果中沿建基面的應(yīng)力，隨不同的彈模比相差較大，尤其壩踵附近區(qū)域 (見表 3 3但分布趨勢是一致的。 有限元法計(jì)算成果中 ， 沿建基面拉應(yīng)力區(qū)范圍較大 ， 壩越高 ， 寬度越大 ， 但其相對寬度較為接近 。 分析上述有限元法計(jì)算成果 ， 從壩踵單元尺寸最小方案來看 ， 壩踵處均為拉應(yīng)力 ， 且其值壩越高而越大 ， 拉應(yīng)力區(qū)寬度 ， 壩越高而越寬 ， 但拉應(yīng)力寬度與壩的相對寬度基本接近 。 3 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) 從用有限元法計(jì)算壩體應(yīng)力的實(shí)踐中可知 ， 由于重力壩的特點(diǎn) ， 往往將壩體作為彈性體平面問題處理 ， 其計(jì)算精度是隨著單元尺寸的減小而增加 ， 應(yīng)力誤差與單元尺寸成正比 ， 并且與單元的邊長比亦有很大關(guān)系 。 實(shí)際計(jì)算中 ， 每個(gè)計(jì)算對象單元大小不可能一致 ， 亦不可能做到單元邊長一致 ， 尤其是結(jié)構(gòu)的角緣處 ， 往往應(yīng)力值相當(dāng)大 ， 網(wǎng)格越密 ， 應(yīng)力可大到驚人的程度 (實(shí)際上角緣處的材料此時(shí)已局部屈服 、 開裂或滑移 ， 應(yīng)力將重分布 )， 因此 ， 用有限元法計(jì)算壩體應(yīng)力時(shí) ， 要用一個(gè)量值作為控制標(biāo)準(zhǔn)是不太可能的 ， 鑒于前面對有限元法計(jì)算成果的分析 ， 用拉應(yīng)力區(qū)大小來控制是可行的 ， 特別是用垂直拉應(yīng)力分布范圍大小來控制更合理一些 。 4 小結(jié) 在原設(shè)計(jì)時(shí)均用材料力學(xué)法計(jì)算壩體應(yīng)力的結(jié)果作為設(shè)計(jì)壩體斷面的依據(jù) 。 當(dāng)用線彈性有限元法計(jì)算時(shí) ， 沿建基面上游部位出現(xiàn)較大的主拉應(yīng)力區(qū)而超過帷幕灌漿范圍 ， 當(dāng)有些工程經(jīng)用彈性非線性有限元分析 ， 假設(shè)沿建基面或壩基開裂一定寬度和深度 ，用應(yīng)力重分布分析 ， 壩踵