基于结构强度、基础抗滑和整体稳定的拱坝安全评价方法与流程

本发明涉及拱坝安全控制分析和设计领域，具体为基于结构强度、基础抗滑和整体稳定的拱坝安全评价方法。

背景技术：

长期以来，世界各国拱坝设计的安全控制主要由结构材料强度安全系数和基础抗滑稳定安全系数两部分组成。根据我国《混凝土拱坝设计规范》(DL/T5346-2006)和《混凝土拱坝设计规范》(SL282-2003)，拱坝的结构材料强度安全系数指坝体混凝土抗压强度标准值与结构容许压应力的比值。其中，坝体混凝土抗压强度标准值由标准方法制作养护的边长为15cm立方体试件，用标准试验方法测得的具有80％保准率的90天龄期抗压强度；结构容许压应力指拱坝采用拱梁分载法计算的最大主压应力的控制值。

我国《混凝土拱坝设计规范》(DL/T5346-2006)和(SL282-2003)规定了Ⅰ级高拱坝的结构强度安全系数控制指标分别为4.4和4.0。基础抗滑稳定安全系数是指坝肩可能滑块在各类荷载作用下，抗滑力与滑动力的比值，两本规范对于Ⅰ级高拱坝，通常采用剪摩公式定义，基础抗滑稳定安全系数通常取3.5(其中DL/T5346-2006规范采用分项系数，基础抗滑稳定安全系数略有差异，且非一个定值，但整体与3.5接近)。依靠上述安全评价体系，我国建设了大量的拱坝工程，并均成功运行，也因此积累了极为丰富的工程经验。

随着拱坝建设技术的发展，拱坝建设规模也不断增大，在近20年中，先后建成了二滩、溪洛渡、锦屏一级等坝高超过200m的特高拱坝。由于特高拱坝水推力巨大，对基础变形与抗滑，结构抗裂与抗震要求更严，现有的2K安全评价，即结构材料强度安全评价和基础抗滑稳定安全评价，难以真实地反映结构受力后的实际安全状态，包括基础抗滑也出现特定滑块的抗滑稳定安全系数不能满足安全控制标准的实例，但实际上这些拱坝也均已经建成并成功安全可靠运行。

现有的规范中，结构材料强度安全系数K定义为：

K＝f_cu,k/S

上式中，f_cu,k为大坝混凝土设计强度标准值，拱坝规范将其定义为90d龄期、15cm立方体试件、80％保证率的单轴抗压强度；S为拱梁法计算出来的大坝主压应力。

显然，拱坝混凝土实际强度值并不等于实验室的设计强度标准值，由于尺寸、龄期、持久荷载、施工等各方面的影响，高拱坝混凝土实际强度值要较设计强度标准值低。同时，为安全起见，当前拱坝设计均要求拱坝工作在材料及结构弹性范围内，因此容许强度的取值又进一步小于混凝土实际强度。同样，拱坝结构拱梁分载法计算应力受方法及参数取值的影响，如温度、水沙等荷载的变化，地基、大坝混凝土材料参数取值，各类计算假定的影响，分级加载路径选择差异和分析方法本身的不完备等等，实际可能最大应力要大于计算出来的大坝主压应力S。

拱坝结构混凝土属大体积混凝土，小试件峰值强度标准值不能代表结构混凝土实际强度，在拱坝设计中个别工程还利用了180天龄期强度，试验获得的强度标准值与实际工程中的结构混凝土强度相差较远，存在明显尺寸效应、龄期效应等。此外，基于拱梁分载法计算出来的拱坝应力与拱坝在实际运行中真正的应力也存在较大差异，因此现规范中的强度安全系数不能代表拱坝结构实际安全度。

对于I级高拱坝的基础抗滑分析，按照常规抗剪断公式计算，其中由摩擦系数提供的抗滑力Nf、以及由凝聚力提供的抗滑力CA随坝高增加的权重并不一致，导致基础抗滑稳定安全计算值失真，这也是个别特高拱坝基础抗滑稳定计算安全系数达不到规范要求3.5的原因之一。另一方面，拱坝结构强度安全系数与基础抗滑稳定安全系数均只反映各自方法下的计算安全度，不能代表拱坝实际的、整体的安全度。

拱坝现有安全评价包含结构材料强度安全度评价以及基础抗滑稳定安全度评价两个方面，现有安全评价方法的缺陷分别如下：

1.结构材料安全度评价

1)现评价方法的结构材料强度取标准试件在标准养护情况下的试验值，并根据一定保证率获得的标准强度，该强度未反映大体积混凝土的结构强度特性。

2)现评价方法的计算应力是指标准工况和设计参数下拱坝拱梁分载法计算应力，该应力未反映结构实际可能潜在的不确定影响因素的影响。

2.基础抗滑稳定安全度评价

1)规范规定I级高坝采用剪摩公式计算基础抗滑稳定安全系数，并给出了安全系数不小于3.5的控制要求，但在实际使用中存在滑移面属性、拱推力等巨大差异，导致基础抗滑稳定安全计算值的失真，这也是个别特高拱坝基础抗滑稳定计算安全系数达不到规范要求的3.5的原因。

2)存在基础抗滑稳定计算公式与安全指标的协调处理问题。

3.结构材料安全度以及基础抗滑稳定安全度均不能代表拱坝的整体的、实际的安全度。

技术实现要素：

针对现有的评价方法的不足，本发明提供一种基于结构强度、基础抗滑和整体稳定的拱坝安全评价方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于结构强度、基础抗滑和整体稳定的拱坝安全评价方法，包括拱坝结构强度安全评价、拱坝坝肩抗滑稳定安全评价、以及拱坝基础整体稳定安全三个部分，其中：拱坝结构强度安全评价包括以下步骤：

步骤一、计算拱坝结构容许强度[R_c]

[R_c]＝f_cu,k·c₁·c₂·c₃·c₄·c₅·μ (公式1)

公式1中，f_cu,k为大坝混凝土设计强度标准值；c₁为尺寸效应影响系数，c₂为龄期效应影响系数，c₃为施工影响系数，c₄为多轴受力影响系数，c₅为其他因素影响系数；μ为材料的比例极限系数；

具体地，所述公式1中，根据大量实际工程资料的统计与分析，建议尺寸效应影响系数c₁取值0.61，龄期效应影响系数c₂取值1.15，施工影响系数c₃取值0.96，多轴受力影响系数c₄取值1.00，其他因素影响系数c₅取值0.95；比例极限系数μ取值0.74。

步骤二、拱梁分载法计算拱坝实际可能最大应力S′

S′＝S·γ₁·γ₂·γ₃·γ₄·γ₅ (公式2)

公式2中，S为拱梁法计算出来的大坝主压应力；γ₁为计算荷载修正系数，γ₂为材料参数修正系数，γ₃为计算方法修正系数，γ₄为施工方法和加载路径修正系数，γ₅为其他误差修正系数。

对于特高拱坝，根据已有的大量实际工程资料的分析，通过拱梁分载法进行计算时，所述公式2中的建议取值为：计算荷载修正系数γ₁取值1.05，材料参数修正系数γ₂取值1.10，计算方法修正系数γ₃取值1.14，施工方法和加载路径修正系数γ₄取值1.07，其他误差修正系数γ₅取值1.05。

通过线弹性有限元法进行计算时，所述公式2中，计算荷载修正系数γ₁取值1.05，材料参数修正系数γ₂取值1.00，计算方法修正系数γ₃取值1.03，施工方法和加载路径修正系数γ₄取值1.10，其他误差修正系数γ₅取值1.05。

步骤三、计算拱坝结构安全系数K₁并评价

K₁＝[R_c]/S′ (公式3)

再根据拱坝结构安全系数K₁进行拱坝结构强度安全度评价，评价标准为：设计工况K₁≥2.0；校核工况K₁≥1.5。

其中：拱坝坝肩抗滑稳定安全评价，包括以下步骤：

步骤一、确定拱坝坝肩滑块的滑移模式

根据控制性滑块几何构成，以及两岸坝肩岩体结构面的产状及结构面组合情况，分析滑块的组合形式并确定相应的滑移面和滑移模式；其中，滑块的组合形式分为：一陡一缓滑块、两陡一缓滑块和阶梯状滑块；

其中：一陡一缓滑块：由一个陡面(侧滑面)和一个缓面(底滑面)组成；

两陡一缓滑块：由两个陡面(侧滑面)和一个缓面(底滑面)组成；

阶梯状滑块：其侧滑面由一系列错台的陡面形成，每一错台的陡面均为多条陡倾不连续面的一部分，底部可能滑移面由一系列错台的缓面形成，每一错台的缓面均为多条缓倾不连续面的一部分。

步骤二、计算拱坝坝肩抗滑稳定安全系数K₂并评价

根据构成滑块的主滑面性状，选用抗剪断公式或抗剪公式进行坝肩抗滑稳定分析，计算其安全系数K_2c或K_2f，其中：

抗剪断公式：

抗剪公式：

公式4和公式5中，f_1i为结构面i的抗剪断摩擦系数；f_2i为结构面i的抗剪摩擦系数；N_i为垂直于结构面i滑动方向的法向力；c_1i为结构面i的抗剪断凝聚力；A_i为结构面i的面积；T_i为结构面i上沿着滑动方向的滑动力；i为控制性结构面编号。

选用及评价方法为：当主滑移面为脆性结构面时，坝肩抗滑稳定安全系数K₂选用K_2c，评价标准为K_2c≥3.5；当主滑移面为塑性结构面时，坝肩抗滑稳定安全系数K₂选用K_2f，评价标准为K_2f≥1.3。

其中，拱坝基础整体稳定安全评价方法包括以下步骤：

步骤一、计算拱坝整体安全度K₃

利用非线性有限元法和/或地质力学模型试验法建立拱坝整体安全评价模型，采用水容重超载法计算拱坝整体安全度K₃，所述拱坝整体安全度K₃包括：起裂超载系数K₃₁、非线性变形超载系数K₃₂和极限承载能力K₃₃；

其中：起裂超载系数K₃₁是指拱坝或基础局部开始开裂时的荷载超载倍数，对地质力学模型试验，对应坝踵出现宏观裂缝；对非线性有限元，对应坝踵屈服区达到帷幕位置；

非线性变形超载系数K₃₂是指拱坝系统整体开始出现非线性屈服变形时的超载倍数；对应非线性有限元以及地质力学模型试验，均指拱坝变形-超载曲线出现拐点；

极限超载系数K₃₃是指拱坝地基系统整体失稳时的超载倍数；对应非线性有限元指计算不收敛时的超载倍数，对地质力学模型试验，对应坝体底部屈服区贯穿、自然拱破损、开裂屈服区贯穿坝体及基础，千斤顶施加的荷载无法进一步增加时的超载倍数。

步骤二、根据K₃进行拱坝整体安全度评价

根据起裂超载系数K₃₁和非线性变形超载系数K₃₂进行拱坝整体安全度评价，评价标准为：K₃₁≥1.5且K₃₁≥3.0。K₃₃暂不设定标准。

本发明的有益效果是：基于结构强度、基础抗滑和整体稳定的拱坝安全评价方法是对现有拱坝安全评价体系的重大完善和更新。

拱坝结构强度安全评价方法，在现有的安全评价方法的基础上，推动了从结构材料强度安全度向结构强度安全度的扩展，从基于杆件力学的材料安全度推广为结构安全度，更好地反映了拱坝的结构特点，使得拱坝结构安全系数K₁的评价更接近拱坝结构体系的实际水平。

拱坝坝肩抗滑稳定安全评价方法通过进一步明确滑移模式，明确抗剪、抗剪断公式的选用方法，使得坝肩抗滑稳定安全系数K₂更接近真实水平。

在评价拱坝结构强度安全系数K₁和拱坝坝肩抗滑稳定安全系数K₂的基础上，提出了拱坝整体安全度K₃，并建立了基于超载能力的拱坝整体安全评价方法，形成明确的安全控制指标，综合判定拱坝整体安全度的评价体系。基于结构强度、基础抗滑和整体稳定的拱坝安全评价方法弥补了现有方法中，将拱坝和地基分隔成两个部分的缺陷。

附图说明

图1是拱坝坝肩稳定控制性滑移模式示意图。

图2是本发明拱坝基础整体稳定安全评价中大坝变形阶段示意图。

图1的附图标示为：建基面1、阶梯块2、小块体3、大块体4。

具体实施方式

基于结构强度、基础抗滑和整体稳定的拱坝安全评价方法，包括拱坝结构强度安全评价、拱坝坝肩抗滑稳定安全评价、以及拱坝基础整体稳定安全三个部分。其中，拱坝结构强度安全评价方法，包括以下步骤：

步骤一、计算拱坝结构容许强度[R_c]

[R_c]＝f_cu,k·c₁·c₂·c₃·c₄·c₅·μ (公式1)

公式1中，f_cu,k为大坝混凝土设计强度标准值；c₁为尺寸效应影响系数，如实验室试件为15cm立方体小试件，而拱坝施工则是大体积混凝土，之间存在尺寸效应；c₂为龄期效应影响系数，如实验室通常采用90天龄期或180龄期，而拱坝运行则是长时间周期；c₃为施工影响系数，如振捣质量、温控质量、浇筑层厚等等；c₄为多轴受力影响系数，c₅为其他因素影响系数；μ为材料的比例极限系数，其主要用于确保材料工作在弹性范围内。

公式1考虑了现有规范在计算大坝混凝土设计强度标准值f_cu,k的不足，考虑了尺寸、龄期、施工、持久荷载、等各因素的影响，对抗压强度进行修正，并且假定各因素的影响相互独立。根据已有的工程经验，公式1中各参数的建议值如下：尺寸效应影响系数c₁取值0.61，龄期效应影响系数c₂取值1.15，施工影响系数c₃取值0.96，其他因素影响系数c₅取值0.95，比例极限系数μ取值0.74。考虑到目前多轴效应的试验数据较少，且数据离散，多轴受力影响系数c₄取值1.00。

步骤二、拱梁分载法计算拱坝实际可能最大应力S′

S′＝S·γ₁·γ₂·γ₃·γ₄·γ₅ (公式2)

公式2中，S为拱梁分载法计算出来的大坝主压应力；γ₁为计算荷载修正系数，如自重与温度荷载等估算不足；γ₂为材料参数修正系数，如坝体与地基材料参数取值误差；γ₃为计算方法修正系数，如拱梁分载法本身的概化；γ₄为施工方法和加载路径修正系数，如自重的加载与施工的封拱程序影响；γ₅为其他误差修正系数。

公式2考虑了现有规范在计算大坝主压应力的不足，对拱梁法计算出来的大坝主压应力S进行修正，包括计算荷载修正、材料参数修正、计算方法修正、施工方法和加载路径修正、其他误差修正，并且假定各修正因素相互独立。根据已有的工程经验统计分析，提出以下建议取值：

通过拱梁分载法进行计算时，所述公式2中，计算荷载修正系数γ₁取值1.05，材料参数修正系数γ₂取值1.10，计算方法修正系数γ₃取值1.14，施工方法和加载路径修正系数γ₄取值1.07，其他误差修正系数γ₅取值1.05。通过线弹性有限元法进行计算时，所述公式2中，计算荷载修正系数γ₁取值1.05，材料参数修正系数γ₂取值1.00，计算方法修正系数γ₃取值1.03，施工方法和加载路径修正系数γ₄取值1.10，其他误差修正系数γ₅取值1.05。

步骤三、计算拱坝结构安全系数K₁并评价

K₁＝[R_c]/S′ (公式3)

再根据拱坝结构安全系数K₁进行拱坝结构强度安全度评价，评价标准为：设计工况K₁>2.0；校核工况K₁>1.5。

其中：拱坝坝肩抗滑稳定安全评价，该评价更接近实际、评价更加完善，包括以下步骤：

步骤一、确定拱坝坝肩滑块的滑移模式

根据控制性滑块几何构成，以及两岸坝肩岩体结构面的产状及结构面组合情况，分析滑块的组合形式并确定相应的滑移面和滑移模式。其中，组合形式分为：一陡一缓滑块、两陡一缓滑块和阶梯状滑块三种。如图1所示，一陡一缓滑块：由一个陡面(侧滑面)和一个缓面(底滑面)组成；两陡一缓滑块：由两个陡面(侧滑面)和一个缓面(底滑面)组成；阶梯状滑块：其侧滑面由一系列错台的陡面形成，每一错台的陡面均为多条陡倾不连续面的一部分，底部可能滑移面由一系列错台的缓面形成，每一错台的缓面均为多条缓倾不连续面的一部分。

步骤二、计算拱坝坝肩抗滑稳定安全系数K₂并评价

根据构成滑块的主滑面性状，选用抗剪断公式或抗剪公式来计算坝肩抗滑稳定安全系数K₂，其中：

抗剪断公式：

抗剪公式：

公式4和公式5中，f_1i为结构面i的抗剪断摩擦系数；f_2i为结构面i的抗剪摩擦系数；N_i为垂直于结构面i滑动方向的法向力；c_1i为结构面i的抗剪断凝聚力；A_i为结构面i的面积；T_i为结构面i上沿着滑动方向的滑动力；i为控制性结构面的编号。

公式4和公式5的选用及评价方法为：当主滑移面为脆性结构面时，坝肩抗滑稳定安全系数K₂选用K_2c，评价标准为K_2c≥3.5；当主滑移面为塑性结构面时，坝肩抗滑稳定安全系数K₂选用K_2f，评价标准为K_2f≥1.3；同样地，本处评价标准的取值根据现有工程经验总结而得。

其中，拱坝整体稳定安全评价方法，包括以下步骤：

步骤一、计算拱坝整体安全度K₃

结合前述步骤的结果，利用非线性有限元法和/或地质力学模型试验法建立拱坝整体安全评价体系，采用水容重超载法计算拱坝整体安全度K₃，拱坝整体安全度K₃包括起裂超载系数K₃₁和非线性变形超载系数K₃₂，还包括极限超载系数K₃₃。

其中：起裂超载系数K₃₁是指拱坝或基础局部开始开裂时的荷载超载倍数，同时满足在K₃₁超载状态下，坝踵开裂区不击穿帷幕。起裂超载系数K₃₂是指拱坝系统整体开始出现非线性屈服变形时的超载倍数。极限超载系数K₃₃是指拱坝系统整体失稳，表现为坝体底部屈服区贯穿、自然拱破损、开裂屈服区贯穿坝体及基础、非线性计算不收敛时的超载倍数。

具体地，起裂超载系数K₃₁是指拱坝或基础局部开始开裂时的荷载超载倍数，对地质力学模型试验，对应坝踵出现宏观裂缝；对非线性有限元，对应坝踵屈服区达到帷幕位置。非线性变形超载系数K₃₂是指拱坝系统整体开始出现非线性屈服变形时的超载倍数；对应非线性有限元以及地质力学模型试验，均指拱坝变形-超载曲线(见说明书附图2)出现拐点。极限超载系数K₃₃是指拱坝地基系统整体失稳时的超载倍数；对应非线性有限元指计算不收敛时的超载倍数，对地质力学模型试验，对应坝体底部屈服区贯穿、自然拱破损、开裂屈服区贯穿坝体及基础，千斤顶施加的荷载无法进一步增加时的超载倍数。

在计算拱坝整体安全度K₃时，根据非线性有限元计算成果，对大坝上下游面关键高程的拱冠梁，拱端的顺、横河向位移进行统计，分析大坝、基础变形分布特征，并作出出拱冠梁、拱端特征部位点位移-荷载变化曲线，进而确定裂超载系数K₃₁和非线性变形超载系数K₃₂。

步骤二、根据K₃进行拱坝整体安全度评价

如图2所示，标记A点为正常组合工作点，对应的荷载为P₀。荷载分别为K₃₁P₀、K₃₂P₀和K₃₃P₀时，大坝变形曲线的对应点分别为B、C和D点。由于D点表示大坝坍塌，所以根据起裂超载系数K₃₁和非线性变形超载系数K₃₂进行拱坝整体安全度评价，评价标准为：K₃₁≥1.5且K₃₁≥3.0。同样地，本处评价标准的选取根据现有工程经验总结而得。

基于结构强度、基础抗滑和整体稳定的拱坝安全评价方法，充分吸收和考虑了国内国际特高拱坝建设和安全评价的现状，尤其在评价标准的率定中，充分吸收了现有特高拱坝的经验。本方法不仅适用于坝高超过200m的特高拱坝，也适用于200m以下拱坝的安全评价，具有包容性。本方法利用三维非线性有限元技术以及整体地质力学模型试验技术，构建整体超载安全度的评价体系，弥补了现有方法中，将拱坝和地基分隔成两个部分的现实的不足。本方法基于结构强度、基础抗滑和整体稳定的拱坝安全评价方法，进一步完善了现有的拱坝结构安全度评价方法和坝肩稳定安全度评价方法，将其从设计安全度延伸至实际安全度，使得更接近于工程实际。