[发明专利]一种谷幅收缩变形作用下拱坝长期安全度的评价方法

说明书

本发明属于拱坝安全监测领域，提供了一种谷幅收缩变形作用下拱坝长期安全度的评价方法，包括：先预测拱坝谷幅收缩变形的极限值；建立拱坝地基整体有限元模型，并基于预测的谷幅收缩变形极限值进行谷幅收缩变形反演；将反演得到的位移施加到有限元模型边界，先利用水位超载法后利用降强法分别模拟获取到拱坝地基整体变形时的最大水位超载倍数以及拱坝地基发生失稳破坏时的降强倍数；基于最大水位超载倍数与降强倍数，确定谷幅收缩变形作用下拱坝长期安全度。本发明考虑了拱坝长期运行过程中可能遭遇的洪水、滑坡涌浪等极端荷载，以及拱坝坝体和地基岩体材料特性随时间的逐渐劣化，考虑因素全面客观，具有拱坝安全度评价的准确性高的优势。

技术领域

本发明涉及拱坝安全监测领域，尤其涉及一种谷幅收缩变形作用下拱坝长期安全度的评价方法。

背景技术

目前，我国锦屏一级、小湾、溪洛渡等一批300m级特高拱坝已蓄水运行多年，在其蓄水运行过程中，锦屏一级、溪洛渡拱坝监测到了较为明显的谷幅收缩(即河谷宽度减小)。其中，锦屏一级拱坝蓄水后上游最大谷幅收缩约36mm，下游最大谷幅收缩约18mm；截至2018年6月，溪洛渡拱坝上游谷幅累计收缩67.27mm～87mm，下游谷幅累计收缩75.4mm～78.88mm，谷幅收缩变形量值较大且变形趋势仍未停止，超出了一般的工程经验和规律认识。由于谷幅收缩会对拱坝产生挤压作用，影响坝体工作性态和长期安全状况，谷幅变形已成为坝工界和学术界共同面对和关注的热点和难点。

拱坝是一种超静定结构，依靠拱、梁分载的作用将上游水压荷载传递至两岸坝肩和坝基，具有方量小、混凝土性能发挥充分、承载能力大的特点。拱坝对地形地质条件要求高，一般要求建在宽高比较小的V型河谷中，设计仅考虑基岩在运行荷载作用下有限的弹性变形，一旦变形较大将超出设计允许范围，可能会对大坝坝体安全带来较为严重的不利影响。历史上少有的拱坝严重事故主要是河谷变形导致，如意大利的Beauregard拱坝在蓄水初期，左岸山体出现重力式座滑变形，蓄水60年来谷幅收缩达100～200mm，拱坝受到挤压向上游变形，下游坝面开裂。瑞士的Zeuzier拱坝正常运行20年后由于坝基底部400米深处Gotthard隧洞的开挖导致饱和岩体排水，坝基产生不均匀沉陷达110mm，谷幅收缩达60mm，谷幅收缩挤压坝体使之产生多条裂缝。因此，分析预测谷幅收缩变形的时空演化规律，评价谷幅变形作用下拱坝的长期安全性具有重要的意义。

目前，对拱坝在正常荷载作用下的整体安全度评价研究较多，对谷幅收缩变形作用下拱坝的整体安全度评价研究较少。而且，我国拱坝设计规范中并未考虑谷幅收缩变形对大坝变形与应力的影响，因此，尚未有谷幅变形条件下拱坝安全评价标准。已有谷幅变形的拱坝工程案例表明，谷幅收缩变形具有不可逆性，拱坝将在两岸山体挤压作用下长期运行，分析评价谷幅变形作用下拱坝在长期运行过程中的安全裕度，对保证拱坝长期安全运行至关重要。

现有技术中，基于谷幅变形监测数据，对溪洛渡拱坝谷幅变形规律进行了回归拟合，对谷幅变形极限值进行了预测。采用线弹性有限元方法，分析了不同谷幅变形以及极限谷幅变形作用下拱坝变形与应力的大小与分布规律，从而评价拱坝的安全性。或者，在对溪洛渡拱坝谷幅变形进行函数拟合和收敛预测的基础上，对两岸谷幅应用非线性有限元边界位移超载法，通过逐级加大谷幅挤压作用研究拱坝及基础应力、变形及塑性区变化规律，分析不同谷幅收缩超载倍数下坝体-基础破坏的薄弱部位以及破坏演变发展过程与超载倍数的关系，以大坝塑性体积拐点出现时对应的超载倍数作为大坝稳定安全的谷幅位移超载倍数，同时研究坝肩岩体的塑性区发展和坝体变形趋势，确定拱坝-基础的整体安全稳定超载倍数。

但是，拱坝在长期运行过程中地基岩体和坝体混凝土材料会逐渐劣化，同时可能遭遇洪水、滑坡涌浪等极端情况，现有技术中采用的线弹性分析方法或者谷幅变形超载法分析法均无法反映上述不确定因素，难以准确地分析拱坝在山体长期挤压作用下遭遇极端荷载情况时的承载能力和安全裕度。

发明内容