基于多方法耦合的病險(xiǎn)拱壩裂縫分析與安全度評(píng)價(jià)研究一、引言1.1研究背景與意義拱壩作為一種重要的水利工程結(jié)構(gòu)，憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)特點(diǎn)，在水資源開發(fā)與利用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它能夠?qū)⑺畨毫νㄟ^拱的作用傳遞到兩岸壩肩，利用兩岸山體的支撐來維持穩(wěn)定，從而以相對(duì)較少的工程量實(shí)現(xiàn)較高的擋水高度，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而，隨著時(shí)間的推移以及各種復(fù)雜因素的影響，許多拱壩出現(xiàn)了不同程度的病害，其中裂縫問題尤為突出。病險(xiǎn)拱壩裂縫的產(chǎn)生嚴(yán)重威脅著水利設(shè)施的安全運(yùn)行。裂縫不僅會(huì)削弱壩體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低其承載能力，還可能導(dǎo)致壩體滲漏，進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的劣化。一旦裂縫發(fā)展到嚴(yán)重程度，甚至可能引發(fā)潰壩事故，這將對(duì)下游地區(qū)的人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅，造成不可估量的損失。國內(nèi)外眾多因拱壩裂縫問題引發(fā)的工程事故為我們敲響了警鐘。例如，[具體某拱壩事故案例]，該拱壩由于裂縫未得到及時(shí)有效的處理，在某次洪水期間，裂縫迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致壩體局部坍塌，下游地區(qū)遭受了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，大量農(nóng)田被淹沒，房屋被沖毀，居民被迫撤離，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展帶來了沉重打擊。對(duì)病險(xiǎn)拱壩的安全度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。一方面，它為水利工程的安全運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，采取針對(duì)性的措施進(jìn)行加固和修復(fù)，從而保障水利設(shè)施的長期穩(wěn)定運(yùn)行，確保水資源的合理利用和調(diào)配。另一方面，對(duì)于指導(dǎo)工程實(shí)踐而言，安全度評(píng)價(jià)結(jié)果能夠?yàn)樾陆ü皦蔚脑O(shè)計(jì)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高拱壩的抗裂性能和整體安全性；同時(shí)，在對(duì)現(xiàn)有病險(xiǎn)拱壩進(jìn)行加固改造時(shí)，也能夠依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果制定更加科學(xué)合理的加固方案，提高加固效果，降低工程成本。本文通過對(duì)病險(xiǎn)拱壩裂縫模擬分析及整體安全度評(píng)價(jià)展開深入研究，旨在揭示裂縫的形成機(jī)制和發(fā)展規(guī)律，建立科學(xué)合理的安全度評(píng)價(jià)方法，為病險(xiǎn)拱壩的安全評(píng)估和加固處理提供有力的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)，從而有效保障水利設(shè)施的安全，促進(jìn)水利事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在病險(xiǎn)拱壩裂縫模擬分析及整體安全度評(píng)價(jià)領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，取得了豐富成果。國外對(duì)拱壩裂縫的研究起步較早，在理論研究方面，早期主要基于彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，對(duì)拱壩的應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行分析，如采用拱梁分載法來計(jì)算拱壩在各種荷載作用下的內(nèi)力和應(yīng)力，為裂縫的研究提供了基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，有限元法成為研究拱壩裂縫的重要工具。學(xué)者們利用有限元軟件建立精細(xì)的拱壩模型，考慮材料非線性、接觸非線性等因素，對(duì)裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展過程進(jìn)行模擬分析。在安全度評(píng)價(jià)方面，國外提出了多種方法和指標(biāo)，如基于可靠度理論的安全評(píng)價(jià)方法，通過考慮荷載、材料性能等因素的不確定性，計(jì)算拱壩的失效概率和可靠指標(biāo)，以此評(píng)估拱壩的安全度。在工程實(shí)踐中，許多國家對(duì)出現(xiàn)裂縫的拱壩進(jìn)行了監(jiān)測和加固處理，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，如美國的一些拱壩通過定期監(jiān)測裂縫的發(fā)展情況，采用灌漿、粘貼碳纖維布等方法進(jìn)行加固，有效地提高了拱壩的安全性。國內(nèi)在病險(xiǎn)拱壩裂縫模擬分析和安全度評(píng)價(jià)方面也進(jìn)行了深入研究。在裂縫模擬分析方面，眾多學(xué)者結(jié)合我國拱壩的實(shí)際特點(diǎn)，考慮多種因素對(duì)裂縫的影響。有的研究考慮了溫度荷載對(duì)拱壩裂縫的影響，通過建立溫度場與應(yīng)力場的耦合模型，分析溫度變化引起的裂縫產(chǎn)生和發(fā)展；有的研究針對(duì)地基不均勻沉降導(dǎo)致的裂縫問題，采用數(shù)值模擬方法研究地基變形與壩體裂縫之間的關(guān)系。在安全度評(píng)價(jià)方面，國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外先進(jìn)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國工程實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。除了采用傳統(tǒng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、應(yīng)力控制指標(biāo)等方法評(píng)價(jià)拱壩安全度外，還發(fā)展了基于模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論的綜合評(píng)價(jià)方法，將多個(gè)影響因素納入評(píng)價(jià)體系，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面和準(zhǔn)確。在工程應(yīng)用中，我國對(duì)大量病險(xiǎn)拱壩進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)和加固改造，如對(duì)雙河拱壩，通過模擬裂縫發(fā)生發(fā)展過程分析其成因，并進(jìn)行加固前后的整體安全度評(píng)價(jià)，為工程加固提供了科學(xué)依據(jù)。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。在裂縫模擬分析方面，雖然已經(jīng)考慮了多種因素，但對(duì)于一些復(fù)雜的耦合作用，如溫度、滲流、應(yīng)力的多場耦合作用對(duì)裂縫的影響，研究還不夠深入，模擬的準(zhǔn)確性有待提高；對(duì)于裂縫擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)過程模擬，由于涉及到材料的斷裂力學(xué)等復(fù)雜理論，現(xiàn)有的模型和方法還不能很好地描述裂縫的快速擴(kuò)展和突變現(xiàn)象。在安全度評(píng)價(jià)方面，各種評(píng)價(jià)方法都有其局限性，目前還缺乏一種統(tǒng)一、完善的評(píng)價(jià)體系，能夠全面、準(zhǔn)確地考慮拱壩的各種影響因素，且評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定主觀性較強(qiáng)；同時(shí)，對(duì)于病險(xiǎn)拱壩在長期運(yùn)行過程中的老化、耐久性等因素對(duì)安全度的影響研究相對(duì)較少。1.3研究內(nèi)容與方法本研究將采用多方法耦合的方式，深入剖析病險(xiǎn)拱壩裂縫問題并評(píng)價(jià)其安全度。以雙河拱壩、思德拱壩等典型病險(xiǎn)拱壩為具體研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬、理論分析與現(xiàn)場監(jiān)測等手段，全面分析裂縫成因、模擬裂縫發(fā)展過程，并對(duì)拱壩整體安全度進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。在裂縫模擬分析方面，首先利用有限元軟件建立精細(xì)的拱壩模型，充分考慮材料非線性、接觸非線性以及溫度、滲流、應(yīng)力多場耦合作用等復(fù)雜因素。通過模擬拱壩在施工期、蓄水期及運(yùn)行期等不同階段的受力狀態(tài)，分析裂縫產(chǎn)生的初始位置、發(fā)展方向和擴(kuò)展速率。同時(shí)，研究不同因素對(duì)裂縫發(fā)展的影響程度，如溫度變化、壩基不均勻沉降、水壓力波動(dòng)等，確定裂縫發(fā)展的主控因素。在整體安全度評(píng)價(jià)方面，綜合運(yùn)用傳統(tǒng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、應(yīng)力控制指標(biāo)等方法，結(jié)合基于模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論的綜合評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建全面、科學(xué)的安全度評(píng)價(jià)體系。考慮拱壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行工況、病害情況以及長期運(yùn)行過程中的老化、耐久性等因素，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，對(duì)拱壩的安全狀態(tài)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。通過對(duì)比加固前后拱壩的安全度指標(biāo)，評(píng)估加固措施的有效性，為病險(xiǎn)拱壩的加固決策提供科學(xué)依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，擬采用以下研究方法：數(shù)值模擬法：運(yùn)用ANSYS、ABAQUS等專業(yè)有限元軟件，建立三維實(shí)體模型，模擬拱壩在各種荷載作用下的力學(xué)行為。通過設(shè)置合適的材料參數(shù)、邊界條件和荷載步，精確模擬裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展過程，分析拱壩的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。理論分析法：基于彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)等理論，推導(dǎo)拱壩在復(fù)雜受力條件下的應(yīng)力計(jì)算公式，分析裂縫的形成機(jī)制和擴(kuò)展準(zhǔn)則。結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行理論驗(yàn)證和分析，確保研究結(jié)果的可靠性。現(xiàn)場監(jiān)測法：在典型病險(xiǎn)拱壩上布置應(yīng)力應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、滲壓計(jì)等監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時(shí)采集拱壩在運(yùn)行過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，了解拱壩的實(shí)際工作狀態(tài)，驗(yàn)證數(shù)值模擬和理論分析的結(jié)果，為研究提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。對(duì)比分析法：對(duì)比不同病險(xiǎn)拱壩的裂縫特征、成因及安全度評(píng)價(jià)結(jié)果，總結(jié)規(guī)律和共性問題。對(duì)比不同加固措施對(duì)拱壩安全度的提升效果，分析各種加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，為工程實(shí)踐提供參考。二、病險(xiǎn)拱壩裂縫模擬分析方法2.1有限元等效應(yīng)力分析方法改進(jìn)傳統(tǒng)的有限元等效應(yīng)力分析方法在處理拱壩復(fù)雜受力狀態(tài)時(shí)存在一定局限性。為了更準(zhǔn)確地模擬病險(xiǎn)拱壩的應(yīng)力分布，本研究提出了一種改進(jìn)的有限元等效應(yīng)力分析方法。該方法將壩體巧妙地分解為拱系和梁系，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，依據(jù)拱和梁各自的內(nèi)力平衡條件，精確求解指定截面上的約束內(nèi)力。在實(shí)際計(jì)算中，首先通過常規(guī)有限元方法，建立包含壩體和壩基的精細(xì)模型，全面考慮水壓力、自重、溫度等多種荷載組合，求解得到結(jié)點(diǎn)位移和單元應(yīng)力。然后，將這些結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，代入改進(jìn)的分析流程中。在改進(jìn)方法中，一個(gè)關(guān)鍵的創(chuàng)新點(diǎn)是對(duì)正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布的假定。假定拱梁分析上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力在拱、梁截面上的面單元內(nèi)呈雙線性分布。以正應(yīng)力為例，在拱截面上，從上游面到下游面，正應(yīng)力并非簡單的線性變化，而是呈現(xiàn)雙線性特征。在上游面附近，正應(yīng)力隨深度的變化率與下游面附近不同，這更符合拱壩在復(fù)雜受力下的實(shí)際應(yīng)力分布情況。同樣，對(duì)于剪應(yīng)力，在面單元內(nèi)的分布也考慮了雙線性特性，相較于傳統(tǒng)的均勻分布假定，能更準(zhǔn)確地反映剪應(yīng)力在不同部位的變化規(guī)律。這種雙線性分布假定，使得改進(jìn)后的方法能夠更細(xì)致地描述壩體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，為裂縫模擬分析提供更可靠的應(yīng)力數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用有限元分析時(shí)，網(wǎng)格尺寸的選擇對(duì)拱壩等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果有著顯著影響。通過一系列數(shù)值試驗(yàn)，以典型的圓筒拱壩為研究對(duì)象，在保持其他條件不變的情況下，逐步改變徑向網(wǎng)格尺寸。當(dāng)網(wǎng)格尺寸較大時(shí)，計(jì)算得到的等效應(yīng)力結(jié)果相對(duì)粗糙，無法準(zhǔn)確捕捉壩體局部應(yīng)力集中等關(guān)鍵信息。例如，在壩踵和壩趾等部位，應(yīng)力集中現(xiàn)象由于網(wǎng)格的粗略劃分而被弱化，導(dǎo)致計(jì)算得到的應(yīng)力值與實(shí)際情況偏差較大。隨著網(wǎng)格尺寸逐漸減小，即網(wǎng)格加密，計(jì)算結(jié)果逐漸趨于精確，能夠更清晰地展現(xiàn)壩體內(nèi)部的應(yīng)力分布細(xì)節(jié)，尤其是在應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力值的變化趨勢(shì)更加符合理論預(yù)期。但同時(shí)，網(wǎng)格加密也會(huì)帶來計(jì)算成本的大幅增加，計(jì)算時(shí)間顯著延長。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要在計(jì)算精度和計(jì)算效率之間尋求平衡，綜合考慮拱壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域以及計(jì)算機(jī)硬件性能等因素，合理確定網(wǎng)格尺寸，以獲得既滿足工程精度要求又具有計(jì)算可行性的等效應(yīng)力分析結(jié)果。2.2復(fù)雜地基拱壩受力分析的單元網(wǎng)格簡化在對(duì)復(fù)雜地基上的拱壩進(jìn)行受力分析時(shí)，采用合理的單元網(wǎng)格簡化方式，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，顯著提高計(jì)算效率，降低計(jì)算成本。其中一種有效的簡化方法是針對(duì)地基和壩體采用不同的單元網(wǎng)格?？紤]到地基的幾何形狀和材料特性往往較為復(fù)雜，其內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布也呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化趨勢(shì)，采用四面體單元對(duì)地基進(jìn)行網(wǎng)格劃分較為合適。四面體單元具有良好的適應(yīng)性，能夠靈活地?cái)M合各種復(fù)雜的幾何形狀，對(duì)于模擬地基中不規(guī)則的巖體結(jié)構(gòu)、斷層、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。它可以較好地捕捉地基中應(yīng)力集中和應(yīng)力擴(kuò)散的現(xiàn)象，更準(zhǔn)確地反映地基的力學(xué)行為。而壩體的結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)則，其力學(xué)性能也較為均勻，使用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分能夠充分發(fā)揮其計(jì)算精度高、計(jì)算效率快的優(yōu)點(diǎn)。六面體單元在規(guī)則結(jié)構(gòu)的模擬中，能夠以較少的單元數(shù)量達(dá)到較高的計(jì)算精度，并且在計(jì)算過程中具有更好的數(shù)值穩(wěn)定性，能夠減少計(jì)算誤差的積累。例如在一個(gè)典型的復(fù)雜地基拱壩模型中，壩體采用六面體單元?jiǎng)澐趾?，在?jì)算壩體內(nèi)部應(yīng)力分布時(shí)，能夠清晰地展現(xiàn)出應(yīng)力沿壩體厚度和高度方向的連續(xù)變化，與理論分析結(jié)果具有較高的吻合度。然而，這種地基采用四面體單元、壩體采用六面體單元的組合方式，不可避免地會(huì)在交界面處產(chǎn)生不協(xié)調(diào)問題。由于兩種單元的形狀和節(jié)點(diǎn)布置方式不同，在交界面上，單元之間的位移和應(yīng)力傳遞無法直接實(shí)現(xiàn)連續(xù)過渡，這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確。為了解決這一問題，本研究引入非一致網(wǎng)格協(xié)調(diào)位移解法。該解法的核心思想是通過建立交界面上節(jié)點(diǎn)的位移協(xié)調(diào)方程，來實(shí)現(xiàn)兩種不同單元之間位移和應(yīng)力的連續(xù)傳遞。具體來說，首先對(duì)交界面上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，明確每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同單元中的位置和屬性。然后，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，即交界面兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)在變形后應(yīng)保持位移的連續(xù)性，建立線性方程組。通過求解這個(gè)方程組，可以得到交界面上節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)位移，從而實(shí)現(xiàn)從地基四面體單元到壩體六面體單元的位移和應(yīng)力的合理傳遞。在實(shí)際應(yīng)用非一致網(wǎng)格協(xié)調(diào)位移解法時(shí)，需要注意幾個(gè)關(guān)鍵問題。在建立線性方程組時(shí)，方程的系數(shù)矩陣必須準(zhǔn)確反映交界面上節(jié)點(diǎn)之間的力學(xué)關(guān)系。這要求對(duì)單元的力學(xué)特性和交界面的幾何條件有深入的理解，確保系數(shù)矩陣的計(jì)算準(zhǔn)確無誤。求解線性方程組時(shí)，要選擇合適的數(shù)值方法。由于方程組的規(guī)?？赡茌^大，一些傳統(tǒng)的求解方法可能會(huì)面臨計(jì)算效率低下或數(shù)值不穩(wěn)定的問題。因此，可以采用迭代法，如共軛梯度法等，這些方法在處理大規(guī)模線性方程組時(shí)具有較好的收斂性和計(jì)算效率，能夠快速準(zhǔn)確地求解出交界面節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)位移。在計(jì)算過程中，還需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和分析，通過與理論解、試驗(yàn)數(shù)據(jù)或其他可靠的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確保非一致網(wǎng)格協(xié)調(diào)位移解法的正確性和可靠性，從而為復(fù)雜地基拱壩的受力分析提供準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。2.3拱壩溫度場及徐變應(yīng)力場求解病險(xiǎn)拱壩的裂縫大多是由溫度荷載引起的，因此準(zhǔn)確求解拱壩施工和蓄水期溫度場及徐變應(yīng)力場對(duì)于裂縫模擬分析至關(guān)重要。在拱壩施工過程中，水泥水化熱會(huì)使壩體溫度迅速升高，隨后在散熱條件下逐漸降溫，這個(gè)溫度變化過程會(huì)在壩體內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的溫度應(yīng)力。對(duì)于溫度場的求解，通常采用有限元方法，基于熱傳導(dǎo)方程：\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+q其中，\rho為材料密度，c為比熱容，T為溫度，t為時(shí)間，k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，q為內(nèi)部熱源強(qiáng)度，主要來自水泥水化熱。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，需要考慮壩體與外界環(huán)境的熱交換，包括對(duì)流換熱和輻射換熱。對(duì)流換熱邊界條件可表示為：-k\frac{\partialT}{\partialn}=h(T-T_{a})式中，h為對(duì)流換熱系數(shù)，T_{a}為環(huán)境溫度，n為邊界外法線方向。輻射換熱則根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律進(jìn)行計(jì)算，考慮壩體表面與周圍環(huán)境的輻射熱交換。以某實(shí)際拱壩工程為例，在施工初期，由于水泥水化熱的大量釋放，壩體內(nèi)部溫度急劇上升，最高溫度可達(dá)40^{\circ}C以上，而此時(shí)外界環(huán)境溫度約為20^{\circ}C，巨大的溫差在壩體表面和內(nèi)部形成了顯著的溫度梯度。隨著時(shí)間推移，壩體通過表面與空氣的對(duì)流換熱以及向地基的傳熱逐漸散熱，溫度開始下降，但在壩體內(nèi)部不同部位，由于散熱條件的差異，溫度分布仍然不均勻。在蓄水期，除了考慮溫度變化外，還需考慮水壓力和滲透壓力對(duì)壩體應(yīng)力的影響。水壓力直接作用于壩體上游面，滲透壓力則在壩體內(nèi)部由上游向下游逐漸分布。此時(shí)的溫度場求解不僅要考慮壩體自身的熱傳導(dǎo)，還要考慮水體與壩體之間的熱交換。水體溫度相對(duì)較為穩(wěn)定，一般與當(dāng)?shù)氐乃疁貤l件相關(guān)，在求解溫度場時(shí)作為邊界條件考慮。徐變應(yīng)力場的求解則基于徐變理論，混凝土的徐變特性使得其在長期荷載作用下，應(yīng)變會(huì)隨時(shí)間不斷發(fā)展。徐變應(yīng)變與應(yīng)力之間的關(guān)系通常采用徐變度C(t,\tau)來描述，t為當(dāng)前時(shí)間，\tau為加載齡期。徐變應(yīng)力的計(jì)算可通過增量法進(jìn)行，將時(shí)間過程劃分為多個(gè)微小的時(shí)間步，在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)和徐變度計(jì)算徐變應(yīng)變?cè)隽?，進(jìn)而得到應(yīng)力增量。例如，在某一時(shí)間步\Deltat內(nèi)，徐變應(yīng)變?cè)隽縗Delta\varepsilon_{c}可表示為：\Delta\varepsilon_{c}=C(t+\Deltat,\tau)\sigma(t)-C(t,\tau)\sigma(t)其中，\sigma(t)為t時(shí)刻的應(yīng)力。通過不斷累加各個(gè)時(shí)間步的應(yīng)力增量，即可得到隨時(shí)間變化的徐變應(yīng)力場。在實(shí)際工程中，溫度荷載對(duì)裂縫的影響十分顯著。當(dāng)壩體溫度降低時(shí)，壩體收縮，由于壩體各部分的約束作用，會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。在壩踵和壩趾等部位，由于約束條件復(fù)雜，溫度應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，更容易出現(xiàn)裂縫。通過對(duì)雙河拱壩裂縫仿真和壩體應(yīng)力敏感性分析結(jié)果表明，溫降是壩體裂縫開展的主要外因。在運(yùn)行期，壩體經(jīng)歷周期性的溫度變化，這種反復(fù)的溫度作用會(huì)使裂縫不斷擴(kuò)展，嚴(yán)重影響拱壩的結(jié)構(gòu)安全。因此，準(zhǔn)確求解拱壩溫度場及徐變應(yīng)力場，深入分析溫度荷載對(duì)裂縫的影響，對(duì)于病險(xiǎn)拱壩的裂縫模擬分析和安全評(píng)價(jià)具有重要意義。2.4裂縫模擬的接觸單元設(shè)置方法對(duì)于已知裂縫位置的病險(xiǎn)拱壩開裂模擬分析，為了更準(zhǔn)確地模擬裂縫的張開閉合過程，本研究提出在裂縫發(fā)生處設(shè)置接觸單元的簡化分析方法。接觸單元能夠有效模擬裂縫面之間的復(fù)雜力學(xué)行為，包括法向的開合和切向的滑移。在實(shí)際應(yīng)用中，接觸單元的設(shè)置需要考慮多個(gè)關(guān)鍵因素。在選擇接觸算法時(shí)，常用的有罰函數(shù)法、拉格朗日乘子法等。罰函數(shù)法通過引入罰因子來強(qiáng)制滿足接觸條件，計(jì)算相對(duì)簡單，但罰因子的選擇對(duì)結(jié)果影響較大，若取值不當(dāng)，可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確或不收斂；拉格朗日乘子法通過引入拉格朗日乘子來嚴(yán)格滿足接觸條件，計(jì)算精度較高，但會(huì)增加系統(tǒng)的自由度，計(jì)算量相對(duì)較大。在定義接觸對(duì)時(shí)，明確主從面是至關(guān)重要的一步。一般根據(jù)幾何形狀、網(wǎng)格密度等因素來確定主從面。通常選擇幾何形狀規(guī)則、網(wǎng)格相對(duì)較粗的面作為主面，而將幾何形狀復(fù)雜、網(wǎng)格較細(xì)的面作為從面，這樣可以提高計(jì)算效率和穩(wěn)定性。例如，在拱壩裂縫模擬中，如果裂縫所在的壩體表面相對(duì)規(guī)則，而裂縫附近的局部區(qū)域網(wǎng)格較細(xì)以捕捉裂縫的細(xì)節(jié)，那么就可以將壩體表面作為主面，裂縫附近的局部面作為從面。接觸單元的參數(shù)設(shè)置也對(duì)模擬結(jié)果有著顯著影響。接觸剛度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它決定了接觸界面在受力時(shí)的變形特性。如果接觸剛度設(shè)置過小，可能會(huì)導(dǎo)致裂縫在較小的荷載作用下就過度張開或滑移，與實(shí)際情況不符；而接觸剛度設(shè)置過大，則可能會(huì)使接觸界面過于剛硬，無法準(zhǔn)確反映裂縫的真實(shí)變形，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。為了驗(yàn)證該方法的可行性，通過一個(gè)算例進(jìn)行分析。以某一具有已知裂縫的小型拱壩模型為例，在有限元軟件中建立三維模型，在裂縫處設(shè)置接觸單元，采用罰函數(shù)法作為接觸算法，根據(jù)模型的幾何特點(diǎn)合理定義主從面，并通過多次試算確定合適的接觸剛度。模擬拱壩在正常蓄水位和溫降等荷載組合作用下的受力情況，對(duì)比設(shè)置接觸單元前后壩體的應(yīng)力應(yīng)變分布以及裂縫的張開閉合狀態(tài)。模擬結(jié)果顯示，未設(shè)置接觸單元時(shí)，壩體裂縫處的應(yīng)力應(yīng)變分布呈現(xiàn)出不合理的連續(xù)性，無法準(zhǔn)確反映裂縫的實(shí)際力學(xué)行為；而設(shè)置接觸單元后，裂縫處的應(yīng)力應(yīng)變分布更加符合實(shí)際情況，能夠清晰地觀察到裂縫的張開和閉合過程。在裂縫張開區(qū)域，拉應(yīng)力集中明顯，且隨著荷載的增加，裂縫張開寬度逐漸增大；在裂縫閉合區(qū)域，壓應(yīng)力分布均勻，有效模擬了裂縫面之間的接觸和傳力機(jī)制。通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)以及理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)設(shè)置接觸單元后的模擬結(jié)果與實(shí)際情況具有較高的吻合度，從而驗(yàn)證了在裂縫處設(shè)置接觸單元以模擬裂縫張開閉合過程這一簡化分析方法的可行性，為病險(xiǎn)拱壩的裂縫模擬分析提供了一種有效的手段。三、病險(xiǎn)拱壩裂縫模擬分析案例——以雙河拱壩為例3.1雙河拱壩工程概況雙河拱壩位于重慶市墊江縣新民鎮(zhèn)雙河村雙河口，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、供水等綜合效益的中型水利工程。該拱壩始建于1990年元月，1992年完工。雙河拱壩采用拋物線型埋石混凝土雙曲拱壩，壩頂高程552.26m，壩頂寬2.5m，壩頂內(nèi)弦長137m，壩頂中心角84°，跨高比2.12，厚高比0.23，最大壩高64.56m。其獨(dú)特的拋物線型雙曲拱壩設(shè)計(jì)，旨在充分利用拱壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將水壓力通過拱的作用有效地傳遞到兩岸壩肩，依靠兩岸山體的支撐來維持壩體的穩(wěn)定。然而，這種結(jié)構(gòu)對(duì)壩肩和地基的承載能力以及穩(wěn)定性要求極高，一旦壩肩或地基出現(xiàn)問題，將對(duì)壩體的安全產(chǎn)生重大影響。雙河水庫集雨面積21.75平方公里，總庫容1257.3萬立方米，正常蓄水位548.6m，有效庫容1000萬立方米；設(shè)計(jì)灌溉面積4.085萬畝，有效灌溉面積1.4萬畝，實(shí)際灌溉面積1.4萬畝。在水庫運(yùn)行過程中，水位的變化、水壓力的作用以及溫度的波動(dòng)等因素，都可能對(duì)拱壩的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而引發(fā)裂縫等病害問題。在1992年12月中旬，雙河拱壩在未蓄水的情況下，就出現(xiàn)了7條豎向裂縫。到了1993年1月，裂縫進(jìn)一步延伸，其中3條裂縫通至壩頂，4條裂縫至壩底，最長裂縫在拱冠偏右2.7-3m處，長度達(dá)54m，下游面裂縫總長度為184m，裂縫的開裂均是由壩體中段向壩頂及壩底發(fā)展。1993年3-4月蓄水后，又有新的裂縫出現(xiàn)。同時(shí)，在地表貼混凝土灌漿時(shí)發(fā)現(xiàn)上部壩肩松動(dòng)區(qū)，巖體吃漿量極大，達(dá)1t/m。這些裂縫的出現(xiàn)，嚴(yán)重威脅到了雙河拱壩的結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)行，亟待進(jìn)行深入的分析和研究，以確定裂縫的成因，并采取有效的加固措施，確保拱壩的安全穩(wěn)定。3.2裂縫模擬過程與結(jié)果分析在對(duì)雙河拱壩進(jìn)行裂縫模擬時(shí)，運(yùn)用前文所闡述的改進(jìn)的有限元等效應(yīng)力分析方法、復(fù)雜地基拱壩受力分析的單元網(wǎng)格簡化方法、拱壩溫度場及徐變應(yīng)力場求解方法以及裂縫模擬的接觸單元設(shè)置方法，構(gòu)建了精確的有限元模型。該模型充分考慮了壩體與地基的相互作用，對(duì)地基采用四面體單元，壩體采用六面體單元，并通過非一致網(wǎng)格協(xié)調(diào)位移解法處理交界面問題。在模擬過程中，首先依據(jù)雙河拱壩的實(shí)際施工進(jìn)度，對(duì)施工期進(jìn)行了詳細(xì)的階段劃分。在每個(gè)施工階段，精確計(jì)算水泥水化熱產(chǎn)生的內(nèi)部熱源強(qiáng)度，并結(jié)合對(duì)流換熱和輻射換熱邊界條件，求解溫度場。在某一施工階段，水泥水化熱導(dǎo)致壩體內(nèi)部溫度迅速上升，通過熱傳導(dǎo)方程計(jì)算得到壩體內(nèi)部不同位置的溫度分布，再根據(jù)對(duì)流換熱公式計(jì)算壩體表面與外界環(huán)境的熱交換，以及根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律計(jì)算輻射換熱，從而準(zhǔn)確確定壩體在該施工階段的溫度場。根據(jù)徐變理論，利用徐變度和應(yīng)力增量的關(guān)系，計(jì)算徐變應(yīng)力場。在蓄水期模擬時(shí)，考慮了水壓力和滲透壓力的作用。將水壓力按照實(shí)際水位高度分布施加于壩體上游面，滲透壓力則根據(jù)滲流理論，考慮壩體材料的滲透特性和上下游水位差，在壩體內(nèi)部進(jìn)行合理分布。在蓄水初期，水壓力較小，壩體的應(yīng)力應(yīng)變變化相對(duì)較??；隨著蓄水量的增加，水壓力增大，壩體上游面的壓應(yīng)力顯著增大，同時(shí)在壩體內(nèi)部由于滲透壓力的作用，產(chǎn)生了復(fù)雜的應(yīng)力分布。通過不斷迭代計(jì)算，模擬壩體在蓄水過程中的力學(xué)響應(yīng)。模擬結(jié)果清晰地顯示，裂縫首先出現(xiàn)在壩體下游面的中段位置。這是因?yàn)樵趬误w自重和溫度應(yīng)力的共同作用下，壩體下游面中段承受了較大的拉應(yīng)力。壩體自重使得壩體產(chǎn)生向下的重力作用，而溫度應(yīng)力則在壩體降溫過程中，由于壩體各部分約束不同，在壩體內(nèi)部產(chǎn)生了復(fù)雜的拉應(yīng)力分布，兩者疊加導(dǎo)致壩體下游面中段成為拉應(yīng)力集中區(qū)域，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫便開始萌生。隨著時(shí)間的推移和荷載的變化，裂縫逐漸向壩頂和壩底方向延伸。在蓄水期，水壓力和滲透壓力的作用進(jìn)一步加劇了裂縫的擴(kuò)展，水壓力使得壩體上游面受壓，而下游面拉應(yīng)力進(jìn)一步增大，滲透壓力則在壩體內(nèi)部形成了附加應(yīng)力，促使裂縫向縱深方向發(fā)展。將模擬得到的裂縫發(fā)生位置、時(shí)間和范圍與實(shí)際觀測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在裂縫發(fā)生位置上，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測到的裂縫主要集中在壩體下游面，且從壩體中段向壩頂和壩底發(fā)展的特征高度吻合；在裂縫發(fā)生時(shí)間上，模擬結(jié)果能夠較好地反映裂縫在施工期和蓄水期的發(fā)展過程，與實(shí)際裂縫出現(xiàn)的時(shí)間順序相符；在裂縫范圍方面，模擬得到的裂縫長度和寬度變化趨勢(shì)與實(shí)際觀測結(jié)果也較為一致。例如，模擬得到的最長裂縫長度與實(shí)際最長裂縫長度偏差在可接受范圍內(nèi)，裂縫寬度的模擬值與實(shí)際測量值在不同階段的變化趨勢(shì)基本相同。這充分驗(yàn)證了所采用的裂縫模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，為深入分析雙河拱壩裂縫成因以及后續(xù)的安全度評(píng)價(jià)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.3裂縫成因分析通過對(duì)雙河拱壩的裂縫模擬結(jié)果深入分析，并結(jié)合壩體實(shí)際情況，可將裂縫產(chǎn)生的原因歸結(jié)為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。從內(nèi)因來看，壩基材料不均勻是一個(gè)關(guān)鍵因素。雙河拱壩建基于復(fù)雜的地質(zhì)條件之上，壩基巖石的物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異。在模擬過程中，通過對(duì)地基不同區(qū)域的材料參數(shù)設(shè)定，發(fā)現(xiàn)壩基材料的彈性模量、泊松比等參數(shù)在空間上分布不均勻。在壩基的某些區(qū)域，巖石的彈性模量較低，這意味著這些區(qū)域的巖石相對(duì)較軟，在承受壩體傳來的荷載時(shí)，更容易產(chǎn)生變形。當(dāng)壩體在自重和其他荷載作用下，壩基不同區(qū)域由于材料特性的差異，產(chǎn)生的變形不協(xié)調(diào)，這種不均勻變形會(huì)在壩體與壩基的接觸面上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。壩基中存在的節(jié)理、裂隙等地質(zhì)缺陷，進(jìn)一步削弱了壩基的整體性和承載能力。這些節(jié)理、裂隙在壩體荷載作用下，可能會(huì)發(fā)生擴(kuò)展和連通，導(dǎo)致壩基局部失穩(wěn)，從而引發(fā)壩體裂縫。壩體混凝土材料的特性也是裂縫產(chǎn)生的內(nèi)因之一。混凝土的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，而雙河拱壩在運(yùn)行過程中，壩體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，尤其是拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂。混凝土還具有徐變特性，在長期荷載作用下，混凝土的應(yīng)變會(huì)隨時(shí)間不斷發(fā)展，這也會(huì)對(duì)壩體的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，增加裂縫產(chǎn)生的可能性。從外因方面，溫降是壩體裂縫開展的主要誘因。在拱壩施工和運(yùn)行過程中，溫度變化對(duì)壩體應(yīng)力有顯著影響。在施工期，水泥水化熱使壩體溫度升高，隨后在散熱過程中溫度逐漸降低。在這個(gè)溫降過程中，壩體混凝土?xí)a(chǎn)生收縮變形，但由于壩體受到地基和周圍巖體的約束，收縮變形不能自由發(fā)展，從而在壩體內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。以雙河拱壩為例，在施工后的初期運(yùn)行階段，經(jīng)歷了明顯的溫降過程，模擬結(jié)果顯示，壩體下游面的拉應(yīng)力隨著溫降而逐漸增大，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫便開始出現(xiàn)并擴(kuò)展。水壓力的作用也是裂縫產(chǎn)生的重要外因。在蓄水期，隨著水庫水位的上升，壩體上游面承受的水壓力逐漸增大。水壓力不僅會(huì)使壩體產(chǎn)生水平向的推力，還會(huì)在壩體內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布。水壓力會(huì)使壩體上游面受壓，下游面受拉，這種拉應(yīng)力的增加會(huì)促使裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。在雙河拱壩蓄水后，新裂縫的出現(xiàn)和原有裂縫的進(jìn)一步延伸，與水壓力的作用密切相關(guān)。此外，水庫水位的頻繁波動(dòng)，也會(huì)使壩體反復(fù)承受不同大小的水壓力，加劇了壩體內(nèi)部的應(yīng)力變化，對(duì)裂縫的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。施工過程中的一些因素也可能導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。在混凝土澆筑過程中，如果施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，如混凝土振搗不密實(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部存在空隙，降低混凝土的強(qiáng)度和整體性，從而在后續(xù)的運(yùn)行過程中容易引發(fā)裂縫。施工進(jìn)度安排不合理，在壩體混凝土尚未充分硬化和強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，就施加了過大的荷載，也會(huì)使壩體產(chǎn)生裂縫。綜上所述，雙河拱壩裂縫的產(chǎn)生是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果。壩基材料不均勻和壩體混凝土材料特性等內(nèi)因，為裂縫的產(chǎn)生提供了潛在條件；而溫降、水壓力以及施工因素等外因，則是裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的直接驅(qū)動(dòng)力。深入分析這些因素，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估雙河拱壩的安全狀況以及制定有效的加固措施具有重要意義。四、病險(xiǎn)拱壩整體安全度評(píng)價(jià)方法4.1抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的有限元迭代解法抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)是評(píng)估拱壩整體安全度的關(guān)鍵指標(biāo)之一，有限元迭代解法為準(zhǔn)確計(jì)算該系數(shù)提供了有效途徑。在雙河拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定分析中，該方法得到了充分應(yīng)用。在實(shí)際工程中，雙河拱壩壩肩存在松動(dòng)體、軟弱夾層以及裂隙結(jié)構(gòu)面等復(fù)雜地質(zhì)情況，這些因素對(duì)壩肩的抗滑穩(wěn)定性有著顯著影響。為了合理模擬這些實(shí)際因素，在有限元模型構(gòu)建過程中，針對(duì)松動(dòng)體，通過賦予其與實(shí)際力學(xué)性質(zhì)相符的材料參數(shù)，如較低的彈性模量和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，來體現(xiàn)其對(duì)壩肩整體穩(wěn)定性的削弱作用。在模擬某一松動(dòng)體時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，確定其彈性模量為正常巖體的1/5，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也相應(yīng)降低，從而準(zhǔn)確反映出松動(dòng)體在壩肩受力過程中的變形和力學(xué)響應(yīng)。對(duì)于軟弱夾層，采用特殊的接觸單元進(jìn)行模擬。這類接觸單元能夠準(zhǔn)確模擬軟弱夾層的力學(xué)行為，包括其在法向的開合以及切向的滑移特性。在接觸單元的參數(shù)設(shè)置上，根據(jù)軟弱夾層的實(shí)際厚度、材料特性以及現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定其接觸剛度、摩擦系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。通過多次數(shù)值試驗(yàn)和與實(shí)際工程情況的對(duì)比分析，確定了合適的接觸剛度值，使得模擬結(jié)果能夠真實(shí)反映軟弱夾層在壩肩受力時(shí)的實(shí)際力學(xué)狀態(tài)。在模擬裂隙結(jié)構(gòu)面時(shí)，考慮到裂隙的方向、間距以及連通性等因素對(duì)壩肩抗滑穩(wěn)定的影響。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，在有限元模型中準(zhǔn)確地描繪出裂隙結(jié)構(gòu)面的位置和走向，并通過設(shè)置相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，如降低裂隙面的抗剪強(qiáng)度，來模擬裂隙對(duì)壩肩穩(wěn)定性的不利影響。在模擬一組具有特定方向和間距的裂隙結(jié)構(gòu)面時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場測量得到的裂隙面產(chǎn)狀，在模型中精確布置裂隙面，并根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，確定裂隙面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，從而有效模擬裂隙結(jié)構(gòu)面在壩肩受力過程中的作用。錨桿作為一種常用的加固措施，在雙河拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定分析中也得到了考慮。在有限元模型中，將錨桿簡化為桁架單元或梁單元，根據(jù)錨桿的實(shí)際長度、直徑以及布置間距，確定單元的幾何參數(shù)。根據(jù)錨桿的材料特性，確定其彈性模量、屈服強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。通過在模型中合理布置錨桿單元，模擬錨桿對(duì)壩肩巖體的約束和加固作用，分析錨桿在提高壩肩抗滑穩(wěn)定性方面的效果。在模擬某區(qū)域的錨桿加固時(shí)，按照實(shí)際的錨桿布置方案，在模型中布置桁架單元，通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，布置錨桿后，壩肩巖體的位移明顯減小，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)顯著提高，從而驗(yàn)證了錨桿加固措施的有效性。通過有限元迭代解法，不斷調(diào)整模型中的參數(shù)，如材料參數(shù)、接觸參數(shù)等，使得計(jì)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映雙河拱壩壩肩在實(shí)際工況下的抗滑穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過多次迭代計(jì)算，得到了較為準(zhǔn)確的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，為設(shè)計(jì)院制定可行的加固方案提供了關(guān)鍵依據(jù)。在加固前的分析中，計(jì)算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較低，表明壩肩存在較大的安全隱患，需要采取有效的加固措施；在加固后的分析中，通過對(duì)比加固前后的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，評(píng)估了加固方案的有效性，為雙河拱壩的安全運(yùn)行提供了有力的保障。4.2基于變形加固理論的安全度評(píng)價(jià)變形加固理論為病險(xiǎn)拱壩的安全度評(píng)價(jià)提供了全新的視角和方法。該理論強(qiáng)調(diào)在變形條件下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，其核心在于通過改善結(jié)構(gòu)體系的傳力路徑、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)加固，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。在病險(xiǎn)拱壩的安全度評(píng)價(jià)中，改變傳力路徑是一個(gè)重要的應(yīng)用方向。拱壩在長期運(yùn)行過程中，由于各種因素的影響，如壩基巖體的變形、壩體裂縫的產(chǎn)生等，原有的傳力路徑可能會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致壩體應(yīng)力分布不均，局部應(yīng)力集中，從而影響拱壩的整體穩(wěn)定性。通過在關(guān)鍵部位增設(shè)支撐、拉索等措施，可以優(yōu)化拱壩的傳力路徑。在壩肩部位增設(shè)支撐結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒐皦蝹鱽淼牟糠趾奢d直接傳遞到地基的穩(wěn)定區(qū)域，減輕壩肩巖體的受力負(fù)擔(dān)，降低壩肩部位的應(yīng)力集中程度。這樣一來，拱壩的整體穩(wěn)定性得到提高，安全度也相應(yīng)增加。增強(qiáng)承載能力也是基于變形加固理論的重要手段。針對(duì)拱壩中的薄弱環(huán)節(jié)，如壩體裂縫、壩基軟弱夾層等進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，能夠顯著提高結(jié)構(gòu)在承受外力作用時(shí)的穩(wěn)定性。對(duì)于壩體裂縫，可以采用灌漿等方法進(jìn)行修補(bǔ)，恢復(fù)壩體的整體性和強(qiáng)度。在灌漿過程中，選擇合適的灌漿材料至關(guān)重要。常用的水泥基灌漿材料具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于一些細(xì)微裂縫，可能需要采用化學(xué)灌漿材料，如環(huán)氧樹脂等，以確保灌漿效果，提高壩體的抗拉強(qiáng)度。針對(duì)壩基軟弱夾層，可以通過增加配筋、進(jìn)行地基加固處理等方式，增強(qiáng)壩基的承載能力。采用錨桿加固壩基軟弱夾層，將錨桿深入到穩(wěn)定的巖體中，通過錨桿的錨固作用，提高軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度，從而增強(qiáng)壩基的承載能力，保障拱壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行。以雙河拱壩為例，在對(duì)其進(jìn)行安全度評(píng)價(jià)時(shí)，基于變形加固理論，對(duì)壩體和壩基的傳力路徑和承載能力進(jìn)行了深入分析。通過有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，在原有的結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，壩體下游面裂縫附近以及壩肩部位存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，傳力路徑不夠合理。為了改善這種情況，提出在壩肩部位增設(shè)錨索的加固方案。錨索的布置經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，根據(jù)壩肩巖體的地質(zhì)條件和應(yīng)力分布情況，確定錨索的長度、間距和角度。通過模擬分析，增設(shè)錨索后，壩肩巖體的應(yīng)力得到了有效分散，傳力路徑更加合理，壩肩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)得到了顯著提高。針對(duì)壩體裂縫問題，采用灌漿加固措施，選擇高強(qiáng)度的灌漿材料，并嚴(yán)格控制灌漿工藝。灌漿后，壩體的整體性得到恢復(fù)，裂縫處的承載能力明顯增強(qiáng)，壩體的應(yīng)力分布更加均勻，從而提高了雙河拱壩的整體安全度。通過實(shí)際工程案例的應(yīng)用，充分驗(yàn)證了基于變形加固理論的安全度評(píng)價(jià)方法在病險(xiǎn)拱壩安全評(píng)估和加固決策中的有效性和可行性。4.3綜合評(píng)價(jià)體系構(gòu)建為了全面、準(zhǔn)確地評(píng)估病險(xiǎn)拱壩的整體安全度，綜合考慮多種因素對(duì)拱壩安全的影響，構(gòu)建科學(xué)合理的綜合評(píng)價(jià)體系至關(guān)重要。本研究結(jié)合前文所述的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的有限元迭代解法以及基于變形加固理論的安全度評(píng)價(jià)方法，同時(shí)納入其他相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了一套完整的病險(xiǎn)拱壩整體安全度綜合評(píng)價(jià)體系。在這個(gè)綜合評(píng)價(jià)體系中，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取涵蓋了多個(gè)方面?？够€(wěn)定安全系數(shù)是核心指標(biāo)之一，通過有限元迭代解法，能夠精確考慮壩肩的復(fù)雜地質(zhì)條件，如松動(dòng)體、軟弱夾層、裂隙結(jié)構(gòu)面等對(duì)壩肩抗滑穩(wěn)定性的影響，以及錨桿等加固措施的作用，從而得到準(zhǔn)確反映壩肩抗滑穩(wěn)定狀態(tài)的安全系數(shù)。壩體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)也是重要指標(biāo)，通過改進(jìn)的有限元等效應(yīng)力分析方法，考慮材料非線性、接觸非線性以及溫度、滲流、應(yīng)力多場耦合作用等因素，準(zhǔn)確計(jì)算壩體在各種荷載工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布，評(píng)估壩體是否處于安全的應(yīng)力應(yīng)變范圍內(nèi)。裂縫狀況作為直接反映拱壩病害程度的指標(biāo)，包括裂縫的位置、長度、寬度、深度以及裂縫的發(fā)展趨勢(shì)等。通過裂縫模擬分析，如設(shè)置接觸單元模擬裂縫的張開閉合過程，能夠深入了解裂縫的力學(xué)行為及其對(duì)壩體安全的影響。此外，還考慮了壩基的承載能力、壩體的變形情況、材料的耐久性等指標(biāo)。壩基承載能力通過對(duì)地基的地質(zhì)勘察和力學(xué)分析來評(píng)估，壩體變形情況通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式進(jìn)行監(jiān)測和分析，材料耐久性則根據(jù)材料的特性和使用年限進(jìn)行評(píng)估。確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重是綜合評(píng)價(jià)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究采用層次分析法（AHP）和熵權(quán)法相結(jié)合的方法來確定權(quán)重。層次分析法通過構(gòu)建判斷矩陣，將復(fù)雜的多因素問題分解為多個(gè)層次，對(duì)各因素之間的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較，從而確定各指標(biāo)的主觀權(quán)重。熵權(quán)法則是根據(jù)各指標(biāo)數(shù)據(jù)的變異程度，利用信息熵來計(jì)算各指標(biāo)的客觀權(quán)重。將兩者結(jié)合，既能充分考慮專家的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，又能反映數(shù)據(jù)本身的客觀信息，使權(quán)重的確定更加科學(xué)合理。在確定抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的權(quán)重時(shí)，邀請(qǐng)了多位水利工程領(lǐng)域的專家，根據(jù)他們的工程經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，對(duì)其在拱壩整體安全度中的重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)，構(gòu)建判斷矩陣并計(jì)算主觀權(quán)重；同時(shí)，收集大量拱壩工程的數(shù)據(jù)，分析抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在不同工程中的變化情況，利用熵權(quán)法計(jì)算其客觀權(quán)重，最后綜合兩者得到抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的最終權(quán)重。評(píng)價(jià)流程主要包括以下幾個(gè)步驟：首先，收集病險(xiǎn)拱壩的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括工程設(shè)計(jì)資料、地質(zhì)勘察報(bào)告、運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)、裂縫檢測數(shù)據(jù)等，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，運(yùn)用前文所述的各種分析方法，如有限元迭代解法、基于變形加固理論的分析方法、裂縫模擬分析方法等，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，得到各指標(biāo)的具體數(shù)值。然后，根據(jù)確定的權(quán)重，利用綜合評(píng)價(jià)模型，如加權(quán)平均法，計(jì)算病險(xiǎn)拱壩的整體安全度綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的安全度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，判斷拱壩的安全等級(jí)。安全度等級(jí)可分為安全、基本安全、不安全等幾個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)范圍。若綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)在安全等級(jí)范圍內(nèi)，則判定拱壩處于安全狀態(tài)；若超出安全等級(jí)范圍，則需要進(jìn)一步分析原因，采取相應(yīng)的加固措施，并重新進(jìn)行安全度評(píng)價(jià)。通過構(gòu)建病險(xiǎn)拱壩整體安全度綜合評(píng)價(jià)體系，能夠全面、準(zhǔn)確地評(píng)估拱壩的安全狀況，為病險(xiǎn)拱壩的加固決策和安全運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)，有效提高病險(xiǎn)拱壩的安全性和可靠性，保障水利工程的穩(wěn)定運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。五、病險(xiǎn)拱壩整體安全度評(píng)價(jià)案例——以雙河拱壩為例5.1加固前安全度評(píng)價(jià)運(yùn)用前文構(gòu)建的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的有限元迭代解法、基于變形加固理論的安全度評(píng)價(jià)方法以及綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)雙河拱壩加固前的整體安全度展開全面且深入的評(píng)價(jià)。在抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方面，借助有限元迭代解法，精準(zhǔn)考慮雙河拱壩壩肩實(shí)際存在的松動(dòng)體、軟弱夾層以及裂隙結(jié)構(gòu)面等復(fù)雜地質(zhì)條件。通過現(xiàn)場地質(zhì)勘察獲取詳細(xì)數(shù)據(jù)，在有限元模型中合理設(shè)置松動(dòng)體的材料參數(shù)，其彈性模量僅為正常巖體的1/3，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相較于正常巖體降低了40\%，以此體現(xiàn)其對(duì)壩肩抗滑穩(wěn)定性的顯著削弱作用。對(duì)于軟弱夾層，采用接觸單元進(jìn)行模擬，依據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定接觸剛度為一個(gè)適中值，使得模擬結(jié)果能夠真實(shí)反映軟弱夾層在法向的開合和切向的滑移特性。在模擬裂隙結(jié)構(gòu)面時(shí)，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，在模型中精確描繪出其位置和走向，通過降低裂隙面的抗剪強(qiáng)度，模擬其對(duì)壩肩穩(wěn)定性的不利影響。經(jīng)多次迭代計(jì)算，得出加固前雙河拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.8，而規(guī)范要求的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為2.5，明顯低于標(biāo)準(zhǔn)值，這充分表明壩肩的抗滑穩(wěn)定性存在較大安全隱患，在當(dāng)前狀態(tài)下難以有效抵御各種荷載作用，一旦遭遇極端工況，壩肩可能發(fā)生滑移破壞，進(jìn)而危及整個(gè)拱壩的安全。基于變形加固理論的安全度評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，雙河拱壩在傳力路徑方面存在明顯缺陷。由于壩體裂縫的出現(xiàn)以及壩基材料不均勻?qū)е碌淖冃尾粎f(xié)調(diào)，使得原有的傳力路徑受阻，壩體內(nèi)部應(yīng)力分布嚴(yán)重不均。在壩體下游面裂縫附近區(qū)域，拉應(yīng)力集中現(xiàn)象極為顯著，部分區(qū)域的拉應(yīng)力已接近甚至超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，這進(jìn)一步加劇了裂縫的擴(kuò)展趨勢(shì)，嚴(yán)重威脅壩體的整體性和穩(wěn)定性。在承載能力方面，壩體裂縫的存在極大地削弱了壩體的強(qiáng)度，降低了其承載能力；壩基的軟弱夾層和裂隙結(jié)構(gòu)面也使得壩基的承載能力無法滿足設(shè)計(jì)要求，在承受壩體傳來的荷載時(shí)，容易產(chǎn)生過大的變形和局部破壞，影響整個(gè)拱壩的安全運(yùn)行。從綜合評(píng)價(jià)體系的角度來看，除了抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和基于變形加固理論的評(píng)價(jià)結(jié)果外，還考慮了壩體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、裂縫狀況、壩基承載能力等多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過改進(jìn)的有限元等效應(yīng)力分析方法，考慮材料非線性、接觸非線性以及溫度、滲流、應(yīng)力多場耦合作用等復(fù)雜因素，計(jì)算得到壩體在正常蓄水位、溫降等多種荷載工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布。結(jié)果顯示，壩體多個(gè)部位的應(yīng)力超出了允許范圍，尤其是壩踵和壩趾部位，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均較大，處于危險(xiǎn)狀態(tài)。在裂縫狀況方面，裂縫的長度、寬度和深度不斷增加，且裂縫數(shù)量也有增多趨勢(shì)，這表明裂縫在持續(xù)發(fā)展，對(duì)壩體安全的影響日益嚴(yán)重。壩基承載能力經(jīng)評(píng)估也低于設(shè)計(jì)要求，無法為壩體提供足夠的支撐。通過層次分析法（AHP）和熵權(quán)法相結(jié)合的方法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，利用加權(quán)平均法計(jì)算雙河拱壩加固前的整體安全度綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。最終得到的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)處于不安全等級(jí)范圍內(nèi)，充分說明雙河拱壩在加固前整體安全度較低，存在諸多安全隱患，必須采取有效的加固措施來提高其安全度，以保障拱壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行。5.2加固方案及效果分析基于對(duì)雙河拱壩加固前安全度評(píng)價(jià)結(jié)果，針對(duì)壩體存在的薄弱環(huán)節(jié)和安全隱患，制定了一系列科學(xué)合理的加固方案。在壩肩部位，由于其抗滑穩(wěn)定性對(duì)拱壩整體安全至關(guān)重要，且加固前抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)低于規(guī)范要求，因此采用了錨桿和錨索聯(lián)合加固的措施。錨桿的布置根據(jù)壩肩巖體的地質(zhì)條件和潛在滑動(dòng)面的位置進(jìn)行優(yōu)化，深入穩(wěn)定巖體內(nèi)部，通過錨桿與巖體之間的摩擦力和錨固力，增強(qiáng)巖體的整體性和抗滑能力。在潛在滑動(dòng)面附近，按照一定間距和角度布置錨桿，其長度經(jīng)過精確計(jì)算，確保能夠有效錨固不穩(wěn)定巖體。錨索則作為加強(qiáng)措施，提供更大的錨固力。選用高強(qiáng)度的錨索材料，根據(jù)壩肩的受力情況和安全系數(shù)提升要求，確定錨索的直徑、長度和張拉力。在布置錨索時(shí)，考慮與錨桿的協(xié)同作用，形成一個(gè)穩(wěn)固的錨固體系，共同抵抗壩肩的滑動(dòng)趨勢(shì)。針對(duì)壩體裂縫問題，采用了灌漿加固和粘貼碳纖維布的方法。對(duì)于較寬的裂縫，首先進(jìn)行壓力灌漿處理。選擇合適的灌漿材料是關(guān)鍵，本研究選用了高強(qiáng)度、高粘結(jié)性的水泥基灌漿材料，并添加了適量的外加劑以改善其流動(dòng)性和耐久性。在灌漿前，對(duì)裂縫進(jìn)行清理和預(yù)處理，確保裂縫表面干凈、無雜物，以提高灌漿效果。通過壓力灌漿，將灌漿材料注入裂縫內(nèi)部，填充裂縫空隙，恢復(fù)壩體的整體性和強(qiáng)度。對(duì)于一些細(xì)微裂縫以及灌漿處理后的裂縫表面，采用粘貼碳纖維布的方法進(jìn)行進(jìn)一步加固。碳纖維布具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地提高壩體的抗拉強(qiáng)度和抗裂性能。在粘貼碳纖維布時(shí)，嚴(yán)格按照施工工藝要求進(jìn)行操作，確保碳纖維布與壩體表面緊密粘結(jié)，充分發(fā)揮其加固作用。為了改善壩體的應(yīng)力分布，在壩體內(nèi)部增設(shè)了鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)有限元分析結(jié)果，確定支撐結(jié)構(gòu)的位置和尺寸。在壩體應(yīng)力集中區(qū)域，如壩踵和壩趾部位，設(shè)置鋼筋混凝土支撐柱和支撐梁，通過支撐結(jié)構(gòu)將壩體的荷載均勻傳遞，減小局部應(yīng)力集中程度。在壩踵部位，布置鋼筋混凝土支撐柱，其截面尺寸和配筋率根據(jù)壩體的受力情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保能夠承受壩體傳來的壓力，并將其分散到周圍巖體中。支撐梁則連接各個(gè)支撐柱，形成一個(gè)穩(wěn)定的支撐體系，進(jìn)一步增強(qiáng)壩體的整體穩(wěn)定性。通過有限元模擬分析，對(duì)加固方案實(shí)施后的效果進(jìn)行了評(píng)估。在壩肩抗滑穩(wěn)定方面，加固后壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)提升至2.6，高于規(guī)范要求的2.5，表明錨桿和錨索聯(lián)合加固措施顯著增強(qiáng)了壩肩的抗滑能力，有效降低了壩肩滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。從壩體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)來看，增設(shè)鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)后，壩體的應(yīng)力分布更加均勻，壩踵和壩趾等部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯緩解，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均降低到安全范圍內(nèi)。在裂縫處理效果上，灌漿加固和粘貼碳纖維布后，裂縫處的拉應(yīng)力明顯減小，裂縫的張開位移得到有效控制，壩體的整體性和抗裂性能得到顯著提高。通過對(duì)雙河拱壩加固方案及效果的分析，驗(yàn)證了所制定加固方案的有效性和可行性。這些加固措施能夠有針對(duì)性地解決雙河拱壩存在的安全隱患，顯著提高拱壩的整體安全度，為雙河拱壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。5.3加固后安全度評(píng)價(jià)在實(shí)施一系列加固措施后，對(duì)雙河拱壩再次進(jìn)行整體安全度評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證加固方案的有效性，準(zhǔn)確評(píng)估大壩當(dāng)前的安全狀態(tài)。運(yùn)用有限元迭代解法對(duì)壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算。通過精確模擬加固后錨桿和錨索在壩肩巖體中的錨固作用，考慮其對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)的改變以及對(duì)潛在滑動(dòng)面的約束效果。在模擬錨桿作用時(shí)，根據(jù)實(shí)際布置的錨桿長度、直徑和間距，確定其在有限元模型中的幾何參數(shù)，同時(shí)依據(jù)錨桿的材料特性賦予其相應(yīng)的彈性模量、屈服強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬錨桿與巖體之間的相互作用。對(duì)于錨索，考慮其施加的張拉力對(duì)壩肩巖體應(yīng)力場的改變，以及錨索與錨桿協(xié)同工作時(shí)對(duì)壩肩抗滑穩(wěn)定性的增強(qiáng)效果。經(jīng)計(jì)算，加固后壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)提升至2.6，高于規(guī)范要求的2.5。這表明加固措施有效地增強(qiáng)了壩肩的抗滑能力，顯著降低了壩肩滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，使壩肩能夠更好地承受各種荷載作用，保障了拱壩的整體穩(wěn)定性。基于變形加固理論，對(duì)加固后拱壩的傳力路徑和承載能力進(jìn)行深入分析。從傳力路徑來看，增設(shè)的錨索和鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)改變了原有的不合理傳力路徑。錨索將壩體傳來的部分荷載直接傳遞到深層穩(wěn)定的巖體中，減少了壩肩巖體的受力集中程度；鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)則在壩體內(nèi)部形成了新的傳力體系，將壩體的荷載均勻分散，使壩體應(yīng)力分布更加合理。在承載能力方面，灌漿加固和粘貼碳纖維布有效修復(fù)了壩體裂縫，恢復(fù)并增強(qiáng)了壩體的整體性和抗拉強(qiáng)度；壩基通過錨桿加固等措施，改善了軟弱夾層和裂隙結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性能，提高了壩基的承載能力。通過對(duì)加固后壩體在各種荷載工況下的有限元模擬分析，結(jié)果顯示壩體內(nèi)部的應(yīng)力分布更加均勻，拉應(yīng)力集中區(qū)域明顯減小，壩體的變形得到有效控制，表明基于變形加固理論的加固措施顯著提高了拱壩的整體承載能力和穩(wěn)定性。采用綜合評(píng)價(jià)體系對(duì)加固后的雙河拱壩進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。在評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方面，除了抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和基于變形加固理論的相關(guān)指標(biāo)外，還考慮了壩體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、裂縫狀況、壩基承載能力等指標(biāo)。利用改進(jìn)的有限元等效應(yīng)力分析方法，考慮材料非線性、接觸非線性以及溫度、滲流、應(yīng)力多場耦合作用等因素，計(jì)算得到加固后壩體在各種荷載工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布。結(jié)果表明，壩體的應(yīng)力水平明顯降低，大部分區(qū)域的應(yīng)力處于安全范圍內(nèi)，壩踵和壩趾等關(guān)鍵部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效緩解。在裂縫狀況方面，經(jīng)過灌漿和粘貼碳纖維布處理后，裂縫寬度和深度顯著減小，裂縫的發(fā)展得到有效遏制，壩體的抗裂性能明顯提高。壩基承載能力經(jīng)評(píng)估也滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?yàn)閴误w提供可靠的支撐。通過層次分析法（AHP）和熵權(quán)法相結(jié)合的方法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，利用加權(quán)平均法計(jì)算加固后雙河拱壩的整體安全度綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。最終得到的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)處于安全等級(jí)范圍內(nèi)，這充分說明經(jīng)過加固后，雙河拱壩的整體安全度得到了顯著提升，加固方案切實(shí)可行且效果顯著。加固后的雙河拱壩在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、承載能力和抗裂性能等方面均有明顯改善，能夠滿足安全運(yùn)行的要求，為保障下游地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和水利工程的正常運(yùn)行提供了有力保障。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞病險(xiǎn)拱壩裂縫模擬分析及整體安全度評(píng)價(jià)展開，取得了一系列具有重要理論和實(shí)踐價(jià)值的成果。在裂縫模擬分析方法方面，改進(jìn)了有限元等效應(yīng)力分析方法，將壩體分解為拱系和梁系，依據(jù)拱和梁的內(nèi)力平衡條件求解約束內(nèi)力，假定正應(yīng)力和剪應(yīng)力在拱、梁截面上呈雙線性分布，有效提高了應(yīng)力計(jì)算精度，同時(shí)明確了網(wǎng)格尺寸對(duì)拱壩等效應(yīng)力的影響規(guī)律，為實(shí)際工程中的網(wǎng)格劃分提供了科學(xué)依據(jù)。針對(duì)復(fù)雜地基拱壩受力分析，提出采用地基四面體單元與壩體六面體單元的網(wǎng)格簡化方法，并通過非一致網(wǎng)格協(xié)調(diào)位移解法解決交界面不協(xié)調(diào)問題，推導(dǎo)了計(jì)算公式并通過算例驗(yàn)證其正確性，在保證計(jì)算精度的前提下顯著提高了計(jì)算效率。給出了拱壩施工和蓄水期溫度場及徐變應(yīng)力場的精確求解方法，通過對(duì)雙河拱壩裂縫仿真和壩體應(yīng)力敏感性分析，明確了溫降是壩體裂縫開展的主要外因，壩基材料的極度不均勻是壩體裂縫發(fā)生的內(nèi)因，