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特高拱壩結構安全度再評價

文檔作者：王仁坤張沖陳麗萍鐘貽輝文檔來源： 1．中國電建集團 2．國家能源水電工程技術研發(fā)中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月17日
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第3 1卷第1 1期
2 0 1 4年1 1月
長江科學 院 院報
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute
V01．31 No．11
Nov． 2 0 1 4
DOI：10．3969／j．issn．1001—5485．2014．11．027
特高拱壩結構安全度再評價
王仁坤。 ，張沖 ，陳麗萍 ，鐘貽輝
(1． 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司科技質量部，成都610072；
2．國家能源水電工程技術研發(fā)中心高混凝土壩分中心，成都610072)
摘要：規(guī)范中的拱壩結構設計安全度并不完全代表拱壩結構的實際安全度，兩者之間存在一定的差異，從而造成
業(yè)界難以合理認識拱壩安全度的真實水平。結合國內數(shù)座已建、在建特高拱壩相關資料，基于多拱梁法，通過拱壩
混凝土實際強度這一影響因子的探討及修正，以及大壩結構最大可能應力的修正，推導出了拱壩結構的實際可能
安全度。分析認為，當前規(guī)范對應的安全控制標準可以確保拱壩結構實際安全度大于1．0，實際安全裕度是較為合
理可靠的。
關鍵詞：結構安全度；真實應力；多軸效應；特高拱壩
中圖分類號：TV223 文獻標志碼：A 文章編號：1001—5485(2014)11—0136—07
1 研究背景
拱壩設計安全度并不代表拱壩實際安全度。水
利行業(yè)規(guī)范?規(guī)定：容許壓應力等于混凝土極限抗
壓強度除以安全系數(shù)，對于1級拱壩，基本荷載組合
下，安全系數(shù)為4．0。水電行業(yè)規(guī)范 采用了分項
系數(shù)法，將分項系數(shù)換算成單一安全系數(shù)后，要求1
級拱壩抗壓安全系數(shù)不低于4．4。
業(yè)界關于該安全系數(shù)的認識，存在不同的看法，
其疑問在于：①是否偏高，國外一些發(fā)達國家，如美、
歐、日、俄等，其結構設計表觀安全系數(shù) 均小于我
國；②是否偏低，目前全世界按照規(guī)范安全系數(shù)建設
的拱壩，均存在普遍開裂現(xiàn)象。因此，如何認識拱壩
的結構設計安全度，關系特高拱壩安全設計方法的
嚴肅性，需要認真對待。本文嘗試依托多拱梁法，分
析探討拱壩混凝土的實際強度以及拱壩結構的最大
可能應力，從而論述拱壩結構的實際可能最小安全
度，探討當前規(guī)范安全系數(shù)取值的合理性。
目前，拱壩設計規(guī)范結構強度安全系數(shù)定義為
K =
． k／S ， (1)
式中 為大壩混凝土設計強度標準值，我國拱壩
規(guī)范將其定義為90 d齡期、15 cm立方體試件、
8O％保證率的單軸抗壓強度；S為多拱梁法計算出
來的大壩主應力。
顯然，拱壩混凝土實際強度并不等于實驗室的
設計強度標準值，由于尺寸、齡期、持久荷載、施工等
各方面的影響，高拱壩混凝土實際強度要較設計強
度標準值低。同時為安全起見，當前拱壩設計均要
求拱壩工作在材料及結構彈性范圍內，因此容許強
度[ ]的取值又進一步小于混凝土實際強度。
同樣，拱壩結構的實際應力也并不等于由多拱
梁法計算出來的應力，由于溫度和水沙等荷載難以
預測、地基和大壩混凝土材料參數(shù)估算誤差、各類計
算假定的影響、分級加載路徑選擇差異、分析方法本
身不完備等，導致實際應力與計算應力差異較大。
實際可能最大應力Js 往往大于結構計算應力5。
因此，拱壩結構實際安全度 可表述為
K =[R ]／5 。 (2)
拱壩結構實際安全度K >1是確保拱壩長期穩(wěn)
定運行在拱壩材料彈性范圍的必要選擇。
2 拱壩混凝土材料容許使用強度
顯然，容許強度[尺 ]與設計強度標準值 ． 并
不一致，其可以表述為
[尺 ]= ．kA(Cl，C2，C3，c4，C5)· 。 (3)
式中：A(c )為抗壓強度修正函數(shù)，C 為抗壓強度影
響系數(shù)，i=1，2，?，5，分別為尺寸效應、齡期效應、
施工影響、多軸受力狀態(tài)以及其他因素產(chǎn)生的影響
收稿日期：2014—08—02；修回日期：2014—09—03
作者簡介：王仁坤(1962一)，男，四川達州人，教授級高級工程師，博士，主要從事水電工程設計工作，(電話)028—87399333(電子信箱)wail—
grenkun@ chidi．com。
通訊作者：張沖(1978一)，男，江蘇海門人，高級工程師，博士后，主要從事水工結構設計和研究工作，(電話)13678146808(電子信箱)
1838669487@ qq．com。
第11期 王仁坤等 特高拱壩結構安全度再評價 137
系數(shù)； 為材料的比例極限系數(shù)，其主要用于確保材
料工作在彈性范圍內。假定各修正因素相互獨立，
因此令
[ ]=fcu-k。Cl。C2’c3。c4 c5· 。(4)
實際分析中應根據(jù)拱壩當時的運行狀況，合理
選擇若干修正參數(shù)進行修正。
由于我國拱壩設計通常按照單軸強度進行設
計，因此，本節(jié)暫不討論多軸強度效應的影響，即
取C ：1．0，同時，其他因素影響效益取為c =
0．95。
2．1 尺寸效應
通常工程現(xiàn)場難以直接測定大體積混凝土實際
強度，因此需要依賴于室內小尺寸試件。小試件由
于受試件尺寸、形狀以及濕篩效應的影響，其測得的
強度并不代表混凝土實際強度。因此，要獲得混凝
土的真實材料性能，必須對室內小尺寸試件的強度
進行換算。研究 表明，當試件尺寸不小于3倍混
凝土最大骨料尺寸的立方體或者圓柱體試件，可以
近似代表大體積混凝土的強度特性，考慮到水工混
凝土最大骨料尺寸通常在15 cm左右，因此本文采
用45 cm圓柱體試件強度代表大壩混凝土實際強
度。
2．1．1 形狀
溪洛渡電站開展了大量混凝土抗壓強度形狀效
應研究 ]，如表1所示。由表可見，試件形狀對于試
件試驗強度存在重要影響，q+~450 mm X900 IIim圓柱
體試件強度通常低于450 mm立方體強度，其平均
比值約為0．75。
表1 形狀效應試驗統(tǒng)計表
Table1 Statistics of specimens with diferent shapes
《水工混凝土試驗規(guī)程》 結合了七五、八五科
技攻關 研究成果，提出形狀系數(shù)值為0．775?！端?
工混凝土結構設計規(guī)范》 根據(jù)國內120組混凝土棱
柱體與200 n-fin的立方體抗壓強度的試驗對比，兩者
的平均值比為0．76。其他研究表明各級尺寸的立方
體試件與圓柱體(直徑：柱高=1：2)試件之間，均存
在明顯的形狀效應，且比值系數(shù)均大致接近。
綜合以上各成果分析，建議取形狀系數(shù)為0．746。
2．1．2 尺寸
混凝土強度等多種性能都存在尺寸效應_8 J。
溪洛渡拱壩針對尺寸效應做了專門研究L5 J，相關成
果如表2、表3所示。從中可以得出3大結論：①混
凝土尺寸效應明顯，以90 d齡期混凝土受壓試驗為
例，45 cm立方體與15 cm立方體試件強度比為
0．83；②混凝土尺寸效應存在明顯的齡期效應，28 d
齡期以前，混凝土強度較低，尺寸效應亦不明顯，
90 d齡期以上，尺寸效應逐漸顯性并趨于穩(wěn)定?？?
慮到大壩受荷齡期均比較長，因此采用180 d齡期
以上的尺寸效應系數(shù)是必要的；③混凝土的受拉尺
寸效應和受壓尺寸效應并不一致，以90 d齡期為
例，受壓尺寸效應為0．83，受拉效應為0．62。
表2 溪洛渡全級配混凝土試驗配合比
Table 2 Mix proportion of concrete in Xiluodu arch dam
編號齡期／a
c m
至
l， 2U cm )U cm ) cm
7 1．00 0．971 0．907 1．O46
B1 28 1．oo 0．938 0．868 0．828
9O 1．00 0．952 0．903 0．844
7 1．0o 0．837 1．041
B2 28 1．00 0．908 0．9o4
90 1．0O 0．944 0．818
堡 堡堡墮 些笪 皇 堡壁墊塑壅 些篁
15 cm ×30 cm 啦O ClTI×40 cm 叫5 cm ×90 cm 15 cm 30 cm 45 cm
1．00
1．o0
1．00
1．oo 0．608
0．630
0．566
0．583
0．593
1．00 0．558
1．00 0．703
1．0o 0．656
1．oo 0．682
0．705
0．541
0．605
0．629
138 長江科學院院報 2014籃
考慮到目前大量特高拱壩工程，均大量采用了
180 d齡期85％保證率的混凝土，因此，本文收集了
溪洛渡、錦屏一級、二灘、拉西瓦、小灣等300 m級特
高拱壩大壩混凝土180 d齡期的相關尺寸效應資
料，如表4所示。
表4 尺寸效應系數(shù)試驗結果統(tǒng)計
Table4 Statistics of size efect tests
樣本數(shù) 樣本值 平均值 樣本屬性
本部分樣本
來自不同工
程，不同水膠
比，相近強度
等級，均為
180d齡期的
450 him立方
體與150 mm
立方體試件
的比值系數(shù)。
收集到的樣本數(shù)為39個，可視為有統(tǒng)計意義樣
本，其尺寸效應均值為0．843。
綜上，考慮到特高拱壩的特殊性，本文推薦
180 d齡期以上，受壓尺寸效應系數(shù)取0．80。考慮形
狀效應、濕篩效應以及狹義上的尺寸效應后，整體的
尺寸效應推薦值為C =0．61。
2．2 齡期效應
大壩混凝土設計采用設計齡期標準強度進行，
一般采用90 d或180 d(美國采用360 d)作為設計
齡期，但拱壩混凝土的運行至少也超過50 a，因此，
相比于設計齡期，拱壩在運行期間其強度較設計齡
期強度有較大幅度的增長，齡期效應不可忽略。
顯然，大幅提升試件的試驗齡期將急劇增加試
驗成本，因此利用現(xiàn)有資料，選取某合適的齡期強度
代表大壩混凝土的長期齡期強度較為重要。
本文在收集溪洛渡等6座300 Ill級高拱壩工程
試驗數(shù)據(jù)的基礎上，參考《水工混凝土結構設計規(guī)
范》 J、三峽大壩混凝土5 a的試驗成果 以及
George W．Washa等 叫給出了用幾組混凝土50 a的
試驗成果，對大壩混凝土的強度發(fā)展系數(shù)進行統(tǒng)計
(以180 d齡期強度為基準)，如表5所示。
采用公式(5)，以180 d齡期強度作為基準，對
試驗數(shù)據(jù)進行擬合。
D =a(Int) +blnt+c 。 (5)
式中：D為強度發(fā)展系數(shù)；t為混凝土齡期(d)；a，b，
C為擬合系數(shù)。
表5 大壩混凝土不同齡期抗壓強度發(fā)展系數(shù)統(tǒng)計
Table 5 Compressive strength coefi cients of
concrete with diferent ages
從偏安全角度，本文建議取結構最大應力出現(xiàn)
時間作為參考齡期指標。目前國內多座特高拱壩工
程，其結構分析最大應力點從澆筑到出現(xiàn)最大應力，
通常在3 a左右。考慮一定富裕度，因此，選用拱壩
混凝土2 a齡期作為最大應力出現(xiàn)的代表齡期是合
適的。相應的抗壓強度齡期增長系數(shù)為c =I．15。
2．3 施工影響
規(guī)范要求的室內小試件試驗通常采用小型攪拌
機、小型振動臺等進行成型，然后標準養(yǎng)護并開展后
續(xù)試驗，從而獲得試驗強度；而現(xiàn)場通常采用大型拌
和系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)(汽車、攬機等)、振搗設備(高頻
振搗器)進行混凝土生成、運輸、振搗成型。這個過
程必然對混凝土的強度產(chǎn)生影響，主要有：拌和系統(tǒng)
影響因素、運輸系統(tǒng)影響因素、澆筑過程影響因素、
養(yǎng)護因素等4大因素。
顯然，施工影響因素可以用最終的芯樣強度與標
準試件強度的比值來衡量。錦屏一級、溪洛渡等工程
開展了大量的施工期影響因素研究，并鉆取 290mm
直徑芯樣進行抗壓強度試驗，成果如表6所示。
根據(jù)表6中數(shù)據(jù)估算出錦屏一級、溪洛渡等工
程混凝土施工對混凝土強度的影響系數(shù)C 。
A區(qū)：e3=47．7／52．5=0．91。
B區(qū)：c3=46．4／45．9=1．O1。
加權均值：C =0．96。
2．4 拱壩混凝土容許使用強度
混凝土是一種由水泥、沙子、骨料和水以及其他
添加劑組成的既有物理反應又有化學反應的復合材
料，在材料內部，骨料與砂漿之間、砂漿內部均存在
大量原生的微裂隙。混凝土受壓、應力逐漸增加最
終破壞的過程，實際上就是微裂縫逐漸延伸、擴展并
表6 大壩混凝土芯樣抗壓強度
Table 6 Compressive strength of concrete core samples from dam
注：芯樣強度換算為軸心小試件抗壓系數(shù)取0．78、再換算成濕篩標準試件系數(shù)取0．89。
8
O
∞ 鼴 跎
7 8 8 8 8 8 8
_二
2 8 9 1 5 2踞 5 1=兮
L ¨
8 5 9 O 4嘶 1鼯 O 9
n O O
3 5 3 6 4 9 6
∞ 阱鰓
6 7 8 8 8 8 8 8
n n Q O
9
第11期 王仁坤等 特高拱壩結構安全度再評價 139
貫通的過程。
國內外曾有專家提出采用不連續(xù)點作為混凝土
破壞的定義 J。在不連續(xù)點上，混凝土的體積應變
停止減小，泊松比開始急劇增加，混凝土的裂縫持續(xù)
擴展，并開始出現(xiàn)不穩(wěn)定。二灘試驗結果表明單軸
受壓不連續(xù)點強度為極限強度的74％。在應力為
極限強度的60％以內時，其應力一應變基本呈線性
關系，混凝土內部即使存在微裂縫，也是穩(wěn)定的。當
應力超過6O％的極限強度后，混凝土內部的微裂縫
逐漸擴展。當應力超過74％極限強度后，裂縫嚴重
擴展，逐漸進入塑化狀態(tài)。隨著應力的增加，裂縫互
相連通，裂縫體系失穩(wěn)而破壞。本文以二灘工程為
例，暫時取不連續(xù)點系數(shù)為： =0．74。
但顯然，在不連續(xù)點范圍內工作，能保證結構處
于彈性范圍內，當然會包含少量的塑性變形。鑒于
上述討論，為了獲得混凝土相對真實的強度，同時保
證混凝土能出于彈性工作狀態(tài)，建議當混凝土受壓
時，采用表7的折減系數(shù)。
表7 拱壩混凝土實際容許強度折減系數(shù)
Table 7 Reduction eoef岱cients of
concrete’S allowable strength of arch dam
受力 塞墮塑壁 墮墨 彈性工作狀態(tài)容許強度
狀態(tài) c1 c2 c3 5 要求系數(shù) 系數(shù)
受壓0．61 1．15 0．96 0．95 0．74 0．47
上述分析表明，考慮以上影響因素后，拱壩混凝
土實際強度約相當于試件強度的64％(考慮c ，c：，
c ，c )。但該強度尚未考慮混凝土的應力應變特性，
大量混凝土試件試驗揭示，混凝土試件受載小于單軸
極限強度的5O％時，基本可以確?；炷凉ぷ髟诰€
彈性工作范圍；當荷載繼續(xù)增加，不超過試件強度的
74％(統(tǒng)計意義上的不連續(xù)點)時，統(tǒng)計表明試件逐
漸突破線彈性工作范圍，出現(xiàn)少量的細觀裂紋，但整
體依然屬于非線性彈性范疇。因此，要確保特高拱壩
運行在彈性工作范圍，其混凝土允許使用強度不宜大
于試件強度的64％ ×50％ =32％；考慮到拱壩混凝
土屬于大體積混凝土，溫度控制比較復雜，同時結構
整體必須保證足夠的剛度，混凝土強度標準不能無限
提高，目前特高拱壩大量采用C18025至C18040?；?
凝土的容許使用強度不超過8～13 MPa。
需要注意的是，混凝土容許使用強度并不代表
拱壩結構的容許應力，拱壩結構的容許應力應考慮
應力成果的影響因素，考慮地質條件的復雜性以及
抗震安全等要求，在允許使用強度的基礎上進一步
降低。目前二灘、溪洛渡等國內6座特高拱壩工程，
容許應力標準均不超過8～10 MPa是較為合適的。
3 拱壩結構實際應力分析
如前文所述，拱壩實際可能最大應力Js 往往大
于結構的計算應力s，其可以表述為
S =S·咖( 1， 2，y3， 4， 5)。 (6)
式中：析 為應力修正函數(shù)， 為相關修正系數(shù)，
1，2，?，5，分別為計算荷載修正、材料參數(shù)修正、計
算方法修正、施工方法和加載路徑修正、其他誤差修
正等；同樣假定各修正因素相互獨立，令
S =S· l。 2。 3。y4· 5。 (7)
3．1 荷載變化的影響分析
作用在壩體上的荷載包括水壓力、自重、溫度作
用、淤砂壓力、波浪壓力和地震作用等。由于設計是
采用定值分析，上述各項作用均是確定的標準值，而
實際上，這些作用都是隨機過程，分析時必然存在取
值的近似性，進而影響分析成果，其中尤其以水壓
力、溫度等作用影響最大。但顯然，由于拱壩是超靜
定結構，各荷載的作用效應之間不具備獨立性，因此
可采用包絡的方法研究其最大可能的作用效應。監(jiān)
測顯示，國內若干重大工程，正常運行時，存在水位
突破正常蓄水位的情況，但頻次普遍小于1％ ，超過
幅度普遍小于50 cm，為安全起見，本文假定正常運
行時，正常蓄水位會上下波動1 HI，淤沙高程假定上
浮5 ITI，其余參數(shù)上浮1O％以及考慮對最大主壓應
力影響最大的溫度荷載組合。以上述包絡原則對溪
洛渡、錦屏一級拱壩的分析成果如表8。計算顯示，
采用包絡線方法分析各種作用不利因素組合下對壩
體應力的影響幅度最大不超過5％。作用荷載不確
定性修正系數(shù)主要來自水壓、淤砂和溫度荷載的不
確定性。。綜合考慮取作用荷載不確定性修正系數(shù)
y1=1．05。
表8 壩面最大主壓應力
Table 8 Maximum principal compressive stress
of dam surface
— 沮 L ，者／ 一
作用荷載包絡分析
工程 工況 計算值／MPa
設糟 ％
3．2 材料參數(shù)的影響分析
通常影響壩體應力的材料參數(shù)主要有：壩體及
地基的變形模量、泊松比。
以溪洛渡等工程為例，考慮混凝土泊松比在設
計取值．4-10％以內進行浮動取值，研究混凝土泊松
比對壩體應力的影響見表9。
長江科學院院報 201"4生
表9 基本荷載組合下泊松比對壩面最大主壓應力的影響
Table 9 Impact of Poisson ratio on the maximum principal
compressive stress of dam under basic load combination
由表9可見，可能的最大控制壓應力比設計工
況控制性最大主壓應力高出0．7％。因此}昆凝土泊
松比變化的影響可忽略不計。雖然巖石的隨機特性
更強，泊松比的變化范圍更為寬泛，但從宏觀統(tǒng)計角
度而言，目前我國所取的基巖泊松比是符合巖體特
性的，對大壩應力的影響也不明顯。因此本文不考
慮材料?白松比對大壩應力的影響。
由于地基變形模量變化規(guī)律較為復雜；除了天
然因素，施工過程中的地基置換、地層巖級變化、壩
基開挖引起的巖體松弛、地基固結灌漿效果等也會
影響地基變形參數(shù)計算取值。單純的上下浮動敏感
性分析難以窮盡最不利工況，其目的僅在于分析拱
壩體形對地基條件可能發(fā)生變化的適應能力。實際
最大應力可能會出現(xiàn)在單岸浮動，或者局部高程區(qū)
段浮動中，因此難以采用包絡方法對其進行研究。
二灘工程設計過程中，隨著對建基面地質條件
認識的不斷深化，左右岸地基的綜合變形模量不斷
進行了調整。記錄顯示，由于地基變模的取值變化，
使二灘拱壩的計算最大主壓應力大致比正常設計狀
況增加6％ 。
溪洛渡拱壩工程地質條件良好，未見斷層發(fā)育，
地基巖體中發(fā)育的不同規(guī)模的層間、層內錯動帶及
基體裂隙控制了巖體結構，影響巖體的質量及力學
特性。招標設計假定整體、一岸、或局部高程的變形
模量浮動20％ 一30％。敏感性分析結果顯示，當
河床400．O0 m高程以下地基變模下降2O％時，最
大主壓應力變化最大，從正常設計時的8．35 MPa提
高至8．83 MPa，提高5．7％ 。
小灣拱壩地基綜合變形模量敏感對大壩應力影
響不大。以設計變模、可能高值、可能低值、可能高
值的1．1倍以及可能低值的0．9倍這5種條件進行
分析，可能的最大控制應力為1O．50 MPa，比設計工
況控制性最大主應力10．37 MPa提高了1．25％。
錦屏一級拱壩地質條件復雜，建基巖體綜合變
形模量在10～19 MPa之間，巖體包含Ⅱ一V 1級巖
體。假定左右岸地基變形模量不管是同時還是某一
岸浮動15％ ，基礎最大主壓應力都將增加約2％ ；
在極端情況下，僅僅將右岸局部Ⅱ級巖體的地基綜
合變形模量上浮15％ 時(相當于將Ⅱ級巖體提升
至I級巖體)，加大了與鄰近巖體綜合變形模量的
差距，最大主壓應力將增加約6％。
大崗山拱壩分析結果顯示，當右岸設計變模整
體上浮20％ 時，最大主壓應力變化最大，將從正常
設計時的6．27 MPa提高至6．88 MPa，提高9．7％。
通過對上述5個特高拱壩的敏感性分析，基礎
邊界約束條件不定性的影響，當?shù)鼗冃文Ａ空w
浮動時，對壩體的影響較小，只有在局部地區(qū)地基變
形模量變化很大時，加大了相鄰控制拱圈高程地基
變形模量的差距時，會導致應力惡化，通常情況下，
對壩體的影響不超過l0％。綜合考慮取材料參數(shù)
不確定性修正系數(shù) =1．10。
3．3 計算影響分析
多拱梁法根據(jù)拱梁桿件系統(tǒng)相同點變位一致原
理，將拱壩視為由若干水平拱圈和豎直懸臂梁組成
的空間結構，荷載由梁系和拱系分擔，荷載分配由變
位一致來確定，通過建立變位方程，一次求解外荷載
在拱梁系統(tǒng)上的分配，從而分別計算出拱、梁桿件系
統(tǒng)的內力、變位和應力。
在實際操作過程中，各家程序在算法實現(xiàn)上又
存在若干不同的處理方式，如基礎邊界約束條件不
定性、不同計算網(wǎng)格以及不同調整向數(shù)等等。在
《混凝土拱壩設計規(guī)范》?修編時，對二灘等10個
拱壩，按不同的拱、梁剖分網(wǎng)格數(shù)目進行了相對比較
表明：高拱壩拱、梁剖分網(wǎng)格數(shù)目應不低于7拱13
梁，當拱數(shù)達到9～10拱以后，控制壓應力基本穩(wěn)
定，因此可不考慮該網(wǎng)格劃分的影響。其余2大因
素，規(guī)范并未限定具體的要求，各方法皆為可用。
“七五”國家科技攻關 采用浙江大學BEMS
程序、中國水利水電科學研究院ADAS程序、河海
大學ADAOP75程序以及成都勘測設計研究院有
限公司ADSC—CK程序對基本荷載組合工況下的
二灘拱壩招標體形進行了不同調整向數(shù)的多拱梁
法壩體應力計算，見表10。考慮到拱壩通常設有
橫縫，且壩體邊澆筑上升邊封拱灌漿，因此豎向變
位調整以及繞徑向軸的角變位是沒有意義的，計
算時可以完全忽略。因此，以四向成果作為基準
對成果進行整理。
由表l0可見，不同軟件之問的基礎處理方式以
及調整向數(shù)，計算壓應力最大可能上浮約13．7％ ，
綜合確定不同計算方法對應力值的影響系數(shù)為：
3=1．14。
第11期 王仁坤等 特高拱壩結構安全度再評價 141
表1O 各個計算程序控制壓應力比較
Table 1 0 Comparison of control compressive stresses
of diferent calculation programs
3．4 分級封拱與加載路徑的影響分析
由于施工過程不連續(xù)性以及接縫灌漿的影響，
澆筑過程應力會積累到運行期大壩初始應力場中。
因此不同施工過程對竣工后壩的整體應力有較大影
響 。常規(guī)分析方法沒有明確約定拱壩自重施加
方式。通常將其分為整體自重和分縫自重。實際拱
壩施工過程，通常是澆筑、接縫灌漿交替進行，封拱
完成的區(qū)域，自重荷載在拱梁之間進行分配，未灌漿
區(qū)域，自重有各自獨立的梁承擔，研究表明，真實模
擬施工過程的拱壩自重應力狀態(tài)介于整體自重與分
縫自重之間。
溪洛渡計算顯示，將施工及蓄水過程根據(jù)實際情
況概化為13個階段后，在組合溫降條件下，下游壩面
最大主壓應力為8．69 MPa，比按正常設計情況的最
大主壓應力8．43 MPa增加了3．1％ ；在組合溫升條
件下，下游壩面最大主壓應力為9．01 MPa，比按正常
設計情況的最大主壓應力8．75 MPa增加了3％；
同樣，二灘概化為13個階段后，在組合溫降條
件下，考慮施工工藝影響后的壩體最大主壓應力為
9．42 MPa，比按正常設計情況的最大主壓應力
8．82 MPa增加了6．8％ 。
錦屏一級拱壩將施工及蓄水過程根據(jù)實際情況
概化為8個階段后，組合溫降工況，下游壩面最大主
壓應力，從正常設計7．77 MPa，增加到8．0 MPa，約
增加了3％。組合溫升工況，下游壩面最大主壓應
力，從正常設計的7．93 MPa，增加到8．15 MPa，增加
了2．8％ ；
從上述3個工程的模擬分析，施工程序及蓄水
過程對壩體應力重分布的影響不超過7％ ，隨壩體
的高度、拱壩形體(跨高比、厚高比)的不同、河谷形
狀的差異、以及施工程序和蓄水過程的不同，對壩體
應力重分布的影響有很大的差異。從已建和在建工
程模擬的結果分析，可暫定該項影響的修正系數(shù)為
4：1．07。
3．5 其它因素影響
除多拱梁法計算模型固有缺陷影響外，如u
型、V型河谷形態(tài)對壩體應力的影響；壩內設置的孔
口、閘墩等附屬設施亦無法考慮，這些綜合因素影
響，可參照前述主要因素修正給出一定富裕值，定為
5=1．05。
綜上，根據(jù)多拱梁法的計算，實際可能最大應力
將在標準計算應力的基礎上大幅提升，其提升幅度為
( l，T2， 3， 4，y5)=1．48 1．50 。
4 拱壩實際安全度
根據(jù)式(1)、式(2)、式(4)、式(7)，大壩實際安
全系數(shù)K 應為
／x‘Uc
K =K·— 。 (8)
利用式(8)可以大致估算基于規(guī)范方法的拱壩實
際安全度，當然由于各影響因素取值并不完全符合實
際，甚至存在部分應該考慮但沒有被考慮到的修正因
素，因此最終的實際安全度并不一定體現(xiàn)大壩的真實
安全度，但可以肯定的是，基于這種方法的安全系數(shù)
較規(guī)范安全系數(shù)更接近于拱壩的安全狀況。
根據(jù)式(8)的修正方法，對《拱壩設計規(guī)范》的
表觀安全系數(shù)進行修正，其對應的實際安全系數(shù)如
表1 1所示。由于本文分析時僅針對特高拱壩進行
了分析，未涉及中小工程，故不對中小工程的實際安
全系數(shù)進行討論。
表1 1 拱壩規(guī)范壩體強度實際安全系數(shù)
Table 1 1 Corrected actual safety factors
corresponding to safety factors in Specification
實際安全系數(shù)的分析表明，按照規(guī)范設計方法
設計的拱壩，尤其是中高拱壩，考慮各種不利因素之
后，可以確保拱壩的實際最小安全度大于1．0，即可
以確保拱壩在基本組合以及特殊組合(無地震)情
況下工作在線彈性范圍內。同時，數(shù)據(jù)也顯示，拱壩
實際安全度并沒有過高的安全裕度，當前規(guī)范的安
142 長江科學院院報 2014年
全控制標準是合理的。
5 結論
(1)分析表明高拱壩混凝土由于存在尺寸效
應、齡期效應、長期持荷強度影響、施工影響等，其實
際強度與混凝土標準試件強度存在巨大的差異。已
有的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，考慮以上影響因素，同時要求拱
壩應力不超過不連續(xù)點強度以保證拱壩工作在彈性
范圍內，拱壩混凝土的容許強度約相當于混凝土標
準試件強度的48％。目前二灘、溪洛渡等國內6座
特高拱壩工程，允許應力標準均不超過8～10 MPa
是較為合適的。
(2)我國《拱壩設計規(guī)范》規(guī)定的拱壩安全控制
標準并不代表拱壩實際安全度，考慮混凝土強度以
及計算應力修正后，我國I級拱壩實際安全度接近
或略超過I．0，這充分說明規(guī)范安全控制標準是確
保拱壩長期處于彈性工作狀態(tài)的客觀要求，當前規(guī)
范的安全系數(shù)取值是相對合理的。
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TAN Xiao．1ong ，
(1．College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；
2．Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering of Ministry of Education，Hohai University，
Nanjing 210098，China)
Abstract：Time series analysis model based on single monitoring point is independent which doesn’t fully consider
the space correlation of similar monitoring points，and couldn’t reflect the overall trend and pattern of slope deforma—
tion．On the basis of single point grey forecasting model，we applied fuzzy clustering method to the time series relationship
analysis of slope monitoring points an d established a deformation prediction model in consideration of multi—
point space relevance．The model is applied to slope engineering of Jinping hydropower station and the resuhs show
that the reliability and accuracy of this method are obviously higher than those of single point prediction mode1．
Key words：slope；time series；fuzzy clustering；muhipoint monitoring；combinatorial prediction model
I上接第142頁)
disparity between design value and actual value．In order to rationally identify the real safety condition of arch dam，
a large number of high arch dam projects are discussed．An estimation formula of the actual possible safety factor of
arch dam is derived by correcting the actual strength of concrete and the maximum possible stress of dam structure
by using multi—arch beam method．Results demonstrates that the actual safety factor could be guaranteed to be lar—
ger than 1．0，which indicates a rational safety margin．The design safety factor could achieve the real security re—
quirements．
Key words：safety factor；actual stress；muhiaxial strength of concrete；arch dam

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