1、1拱坝体形设计方法综述摘要：在对拱坝进行体形设计时，需选定拱坝体形的类型、选定坝轴线位置和坝顶中心角，确定拱冠梁的位置和拱坝参考面。在拱坝的体形确定之后，须对选定的体形进行坝体应力和坝肩岩体抗滑稳定分析，根据计算结果，不断修改，直到获得符合技术经济要求的设计方案。 关键词：拱坝 应力分析发展现状 中图分类号：TV642 文献标识码： A 文章编号： 1 拱坝应力分析理论 纯拱法、拱梁分载法、壳体理论法、有限单元法等方法都为进行拱坝应力分析的常用方法。由于拱坝结构复杂，影响应力计算的因素较多，进行严格的理论计算是有困难的。因此，在作拱坝应力分析时，一般都需要作一些必要的假定和简化，对于重大工程和
2、高拱坝这种重要的工程的坝体应力分析还要结合结构模型试验，从而以便对结果进行计算和验证。 纯拱法假定拱坝由若干层水平拱圈迭合而成，各层拱圈各自独立工作，互不影响，只考虑拱坝中拱的作用，不计悬臂梁的影响，荷载全部由拱承担，从而将一个体形复杂的高次超静定拱坝简化为若干个弹性固端拱，采用工程力学中拱结构的计算方法，便可求出拱圈的变位和应力。该方法概念明确，原理简单，计算方便，但由于忽略了拱圈间的相互作用，求得的应力往往偏大，与拱坝的实际工作情况也不符合。 2拱梁分载法是当前用于拱坝应力分析的基本方法，在拱坝设计中广泛采用。其原理是将拱坝视作由一系列水平拱圈和铅直悬臂梁两种结构系统所组成，假定荷载由拱和
3、梁共同承担，按照拱和梁在各交点处变位一致的条件将荷载分配到拱和梁两个系统上，梁为静定结构，其应力容易计算，拱的应力则按弹性固端拱进行计算，计算拱、梁荷系统载分配的方法可以用试荷载法，也可以用计算机求解联立方程组来代替试算。拱梁分载法包括多拱梁法和拱冠梁法，前者将拱坝看成由一系列水平拱和一系列铅直梁组成，拱梁荷载分配时需考虑拱梁每个交点处的变位协调。而后者只取拱冠处一根悬臂梁，根据各层拱圈与拱冠梁交点处径向变位一致的条件求得拱梁荷载分配，且拱圈所分配到的径向荷载从拱冠到拱端为均匀分布，认为拱冠梁两侧梁系的受力情况与拱冠梁一样。 拱坝在空间上为一壳体结构，壳体主要是沿厚度均匀分别的中面应力来抵抗外
4、荷载，具有很好地承载能力。在进行拱坝应力分析时就可采用壳体理论来计算，即壳体理论计算方。由于拱坝的几何形状及边界条件比较复杂，利用壳体理论进行求解非常困难，从而这种方法受到了很大的限制。壳体理论计算方法主要适用于厚度与曲率半径之比小于 1/10的薄拱坝或穹坝，利用有限差分求解。 有限单元法是用离散模型代替连续体结构，从而把地基和坝体离散为若干单元，相邻单元间以节点相连接，通过建立结点位移和结点力之间的平衡方程，求得结点位移，进而求出单元应力。有限单元法适应性强，几乎可用于任何拱坝。能正确反映坝体角缘和孔洞等的影响，可用于解算体形复杂、坝内有较大的中孔或底孔、设有垫座或重力墩以及坝3基内有断层、
5、裂隙、软弱夹层的拱坝在各种荷载作用下的应力和变形，并可进行仿真计算。对于不同的单元，求解的精度也不一样。 结构模型试验法一般是用石膏加硅藻土组成的脆性材料，制作成拱坝整体模型，模型在加载前后各点的应变变化通过应变仪来量测，从而获得坝体的应力分布，也可以用环氧树脂来制作模型，采用偏光弹性力学的方法量测并分析得出拱坝的应力。 2 拱坝应力分析理论发展现状 在 1970 年以前，我国主要是采用拱梁分载法进行拱坝的应力计算分析，而到 70 年代中期以后，有限元法在很多科学领域和实际问题中得到了广泛应用，由于该方法的计算分析能力强、快速灵活和有效性，逐渐被用于拱坝的应力分析中。有限元法可适用于任何形状的
6、拱坝，也可用于拱坝的动力分析。常用的分析软件有 ANSYS、ADAP、ADINA 等，除此之外，对于非线性、仿真等问题一些单位还研制了专用的程序，并不同程度的应用于许多工程中。有限元法作为一种先进的数值分析方法，在进行应力分析时能够将复杂地基、分期施工、坝体孔口等因素的影响考虑在内，但应力计算结果缺往往在某些部位存在集中效应，此外对于不同单元形式或采用不同的单元划分，其应力计算结果也会不一样，因此，在实际工程中的应用存在一定的困难。针对这一问题，我国大量专家提出了等效应力法，同时提出了有限元多拱梁耦合计算方法，基础采用有限元法计算，而坝体则用多拱梁法来计算。 在对拱坝的平面布置和应力计算完成之
7、后,就需要对坝肩岩体进行抗滑稳定分析,这在许多国家的拱坝设计规范中都是有明确规定的。用于拱4坝坝肩坝基抗滑稳定分析的方法：一是数值计算法，二是模型试验法。而数值计算法又有刚体极限平衡法和有限元法之分。模型试验法由于受地形地质条件和施工条件等方面的制约，只能在小范围内进行测试，所以试验结果具有一定的局限性。目前国内外最常用的是刚体极限平衡法。刚体极限平衡法的概念比较清楚，方法简单；但忽略了很多因素，比较粗略。 刚体极限平衡法首先假定坝肩岩体可能滑动块为不发生变形的刚体，并对其进行受力分析，然后计算抗滑力(矩)和滑动力(矩)，把抗滑力(矩)与滑动力(矩)的比值定义为抗滑稳定安全系数，最后将此安全系
8、数与规范允许的抗滑稳定安全系数进行比较，从而判断可能滑动块是否失稳。如若坝肩的抗滑稳定不能满足要求时,应采一定的改善措。比如加强地基处理，扩大下游的抗滑岩体，改进拱圈形式等等，因地制宜，采取相应的措施。 3 拱坝应力分析理论发展趋势 虽然各种二维计算方法、三维计算方法普遍用于刚体极限平衡法中，但由于拱坝坝肩的受力条件与地质软弱结构面之间的关系大多较复杂，所以三维刚体极限平衡法使用的更多一些；对于高拱坝、地质条件比较复杂的大中型拱坝,通常采用有限单元法和不连续界质的分析方法；有时也采用刚体极限平衡法辅以有限元法或其他方法来进行拱坝坝肩稳定的分析论证。对于地质条件比较复杂、重要的高拱坝，还需要通过各种模型，对坝肩稳定作进一步的论证。 总而言之，只有当最大应力符合应力控制标准，坝肩稳定、倒悬度5等符合要求以及材料强度得到充分发挥且工程造价低，这些条件都得到满足的设计才是一个安全经济的设计方案。 由于拱坝的体形、应力和稳定等大多比较复杂，所以只有经过不断反复的修改，才能获得一个好的方案。必要时，还应作结构模型试验来印证。
