拱坝坝肩稳定分析方法概述

摘要：由于拱坝所承受的荷载主要是由水平方向的拱作用传递给坝肩两岸基岩，因此，拱坝的稳定性不像重力坝主要靠自重维持，而是主要依靠坝肩两岸基岩的稳定。拱坝水平拱的作用越强，拱坝坝身的体积就越小。拱坝坝体材料能充分发挥和坝肩两岸的岩体稳定是其经济性和稳定性的保障前提。

关键词：拱坝坝肩 稳定 分析

中图分类号： TV642.4 文献标识码： A 文章编号：

现在我国通过一大批高拱坝的成功建设，积累了很多的拱坝建设经验，在基础理论、设计方法、地基处理以及施工技术等方面已取得了前所未有的成绩。

1. 分析拱坝应力的方法

拱坝的结构是空间壳体，它的几何形状、边界条件、应力状态等都很复杂，拱坝坝体的应力要用严格的理论进行求解计算难度是较大的。在实际工程设计中，一般为了计算方便会做一些简化，但其简化需符合实际情况，从而保证最终结果可靠实用。分析拱坝应力的常用方法主要是拱梁分载法和有限元法，除此之外还有纯拱法、圆筒法、结构模型试验法和壳体理论计算方法等。20世纪70年代以前，我们国家主推拱冠梁法；从1970年以后，逐渐推广多拱梁法和有限元法。70年代中期以后，有限元法在我国分析拱坝应力领域得到了广泛的应用。

1.1 拱梁分载法

该法是计算拱坝应力广泛使用的一种方法。此法将拱坝看作由水平方向的一些拱圈和竖直的梁组成的三维壳体结构，拱和梁分别承担拱坝坝体所受到的荷载，然后按照拱和梁在各交点处变位一致的条件来确定荷载分配。从20世纪初，美国惠勒和瑞士斯托克等提出拱梁分载，至今已有数十年历史，随着计算水平的提升，这种方法也经历了拱冠梁法、试载法、多拱梁分载法等不同的计算方法。《混凝土拱坝设计规范》中已经将这种方法列为分析拱坝应力的必须采用的方法。近年来我国学者围绕提高计算精度、扩展程序功能，对拱梁分载法的计算模型、计算方法等方面进行了开拓与改进，如黎展眉教授针对不同的非圆弧拱，采用的处理方法是积分变量区间不同，将三结点高斯数值积分的方法推广应用在五心拱、对数螺旋线拱、椭圆拱、抛物线拱以及双曲线拱的多拱梁法计算机程序中，使得计算精度有很大的提高；林绍忠、苏海东对含有软弱夹层的复杂坝基双曲拱坝的试载法应力分析中，对于地基不仅采用了F.Vogt公式，而且采用三维有限元方法计算，使得计算精度也有很大的提高。

1.2 有限元法

有限元法是将拱坝看作空间三维连续壳体，其单元的模型取决于拱坝坝体的体型。20世纪70年代以后，由于电子计算机和有限元方法的发展和应用，有限元法越来越成熟地应用于复杂的地形地质边界条件下的拱坝应力分析，我国学者对有限元法的研究、开发、应用和完善投入了更多的力量。如：傅作新提出有限单元——等效应力法，很好的解决了有限元法与现行规范的配套问题；在非线性研究领域，杨强等人提出基于D—P准则的三维弹塑性有限元增量计算方法，不用形成弹塑性增量矩阵，直接导出了符合正交流动法则的转移应力的解析解。80年代以后，有限元法，尤其是三维有限元分析方法，在我国拱坝应力分析中得到了广泛的应用。在拱坝开裂问题研究方面，寇晓东等提出无单元法，这种方法适合拱坝三维开裂分析计算，此法将拱坝沿拱向分段，各段内分别布置无单元法结点并单独计算开裂，将各段通过界面耦合成拱坝整体以形成整体平衡方程，该法方便实用，有较好的应用前景。在抗震研究方面，陈厚群院士结合溪洛渡、小湾等高拱坝工程，研究场址地震危险性分析中不确定性因素的影响分析、设计中地震动输入机制等设计中的基础问题，建立了中国水利水电强震记录数据库，为三维抗震有限元动力分析提供了依据；梁爱虎、杜修力、陈厚群基于空间非均匀地震动输入和拱坝三维动力有限元法，建立了拱坝在非平稳空间随机地震动场激励下的随机振动分析方法。

1.3 模型试验法

模型主要有两种，即实体模型和数值模型。模型试验方法仅在意大利、西班牙等一些欧洲国家使用广泛，在我国，由于该法时间耗费较多且成本高，故而使用不多。之所以如此，这种方法仅仅是辅助实际工程设计进行验算的一种有效方法。但计算机技术水平的快速提升，使得仿真模拟试验成为取代该法的一种趋势。

1.4 其他方法

a. 纯拱法

纯拱法是将坝体看作由水平方向若干拱圈组成，每层拱圈必须分别单独计算分析，这种方法忽略了拱圈之间的相互作用，人为的假定拱坝所受荷载全部由水平方向的拱承担，因而不符合拱坝的真实受力情况，所求得的结果一般较真实值偏大，但它是所有计算拱坝的方法中最简单的方法，因此，常被用来近似的做初步计算分析或者是小型的拱坝。

b. 圆筒法

圆筒法是将拱坝视为薄壁圆筒，进而采用薄壁圆筒的公式进行拱坝计算。因此，这种方法只适用截面是等圆的拱圈，只能求得拱圈截面的正应力。该法还不能考虑温度场、地震场以及地基的影响，不能真实的反映拱坝的工作条件，只适用于简单的小型拱坝计算分析。

c.网格法

网格法可用于体型较薄的拱坝应力分析，该法利用有限差分求解壳体方程的思想，建立求解方程时，结合实际情况作一些简化，并按伏格特假定处理基础边界条件。

d.格栅法

格栅法将拱坝视为水平拱段和垂直的梁所组成的格子，将格子中每一段作为杆件来处理，从而建立平衡方程，并求解节点的五个变为，进而求得应力。这种方法与有限元法有异曲同工之妙。

e.内力平衡分载法

内力平衡分载法是建立在拱和梁正交分载的原理上，通过拱系和梁系的变位协调及平衡条件来求解的。这种分析拱坝应力的方法是我国陈正作教授提出来的，该方法将拱和梁的交点即结点的变位用梁所承受的荷载来表示，再取单元拱段进行分析，其两端的轴向力、剪力和弯矩均可用拱端的结点变位和单元拱上的荷载表示，进而可用分给梁或拱的荷载来表示，再根据结点的内力平衡建立方程组。此法在我国得到了广泛的应用，取得了很大的 成绩。

2. 结论

目前拱坝结构应力分析最有效的方法仍然是拱梁分载法、有限元法，结构模型试验等其它方法只作为辅助分析手段。

随着“西部大开发“和“西电东送”战略的实施，我国高拱坝的建设将进入一个新的阶段，这也标志着我国在拱坝的研究方面取得了很大的进步，在设计和施工方面已经跨入了全球先进行列，跨向了一个新的平台。