简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】云南华能澜沧江水电有限公司

中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院究

【课题编号】岩0202052007

【课题起止时间】2006年11月～2008年11月

【完成单位】中国水利水电科学研究院岩土工程研究所、结构材枓所

【主要完成人】贾金生、耿克勤、段庆伟、张国新、贾志欣、孙  平、周秋景、吴永平、郑璀莹、何传永　

立项背景

小湾水电站工程坝址区地形、地质条件复杂，修建300m级的高拱坝已超出目前设计规范的范畴，面临众多高难度的挑战。

为进一步明确小湾拱坝坝基浅层抗滑稳定条件，评价拱坝变形稳定状况和整体安全度，尽快开展专题攻关研究，为小湾拱坝建设和安全运行提供技术支持，是十分必要和紧迫的。为此，澜沧江公司联合有关单位组织成立了小湾拱坝基础处理与拱坝安全性评价科技攻关课题组，并于2006年9月，对需要研究的子题大纲进行了评审，根据评审结果以及《小湾水电站施工详图阶段拱坝基础处理与安全性评价科技攻关会议纪要》，中国水科院承担 “小湾拱坝三维非线性有限元分析及工程类比研究子题”和“拱梁分载及刚体极限平衡分析研究子题”。

详细科学技术内容

（1）小湾拱坝三维非线性变形稳定安全性分析

鉴于拱坝的结构形式、受力特点和复杂基础特性，为更合理地反映小湾拱坝的实际受力和变形、稳定安全度，采用三维非线性数值模拟分析小湾拱坝的应力变形特征，综合评价小湾拱坝的安全性。为了保证三维非线性模拟分析最大程度地反映工程实际，所建的三维模型以现有设计方案为基础，在模型中重点考虑了小湾拱坝特殊的地质条件，采取了多种方法进行模拟。

①在三维模型中特别重视建基面附近卸荷松弛岩体地质条件的模拟，尤其在河床及低高程建基面附近的卸荷松弛带岩体加密网格到2m ´2m。

②对两岸坝肩岩体内的抗力体处理措施进行了细致的模拟。

③为充分反映NS、EW长大节理的影响，重要部位通过各向异性模型进行模拟。

④对坝体诱导缝及附近坝体单元进行细致的模拟。

⑤由河海大学提供渗流场分析成果，对渗流场和应力场采用叠加的方式进行研究。

⑥基本计算荷载包括水压力、泥沙压力、自重和温度荷载。拱坝承载能力研究以超载方式为主，研究不同情况下的超载安全度，适当辅以降强分析。

⑦对于较难确定的岩体力学参数和开挖因素进行了适当的敏感性分析。

（2）国内外典型工程类比与安全度研究

由于小湾水电站工程的规模和难度举世瞩目，主要问题如坝基浅层抗滑稳定问题目前尚没有公认的标准和规范可循，因此通过对国内外相关工程进行工程类比研究，有助于确定小湾拱坝安全度的评价标准问题。

本子题并行计算分析了国外两个、国内三个工程的情况。

①收集类比工程的地形、地质、大坝结构的设计、施工、运行期资料，大坝及基础变形等多项观测资料，同时收集国际国内学者的分析研究成果。

②对收集到的资料进行全面、综合分析，正确确定数值模拟分析的边界条件、荷载条件、地质结构条件（尤其是构造面）、运行条件等，在此基础上建立能反映大坝实际情况的分析模型。

③用非线性有限元通过对大坝运行过程的模拟分析，利用收集到的实际观测资料，反演分析影响大坝基础、大坝受力和变形的重要热学力学参数。

④在参数反演的基础上，在与小湾同样的计算条件下，用非线性计算通过超载的方法分析类比工程的安全度。

（3）小湾整体安全度综合分析研究

在以上分析的基础上，考虑类比工程的实际运行情况，通过工程类比的方法对小湾拱坝整体和局部的安全度进行评价。

发明及创新点

①小湾拱坝高达294.5m，拱坝宽高比达3.1:1，水推力高达1900万t，而且地质条件非常复杂。以上特点都是超规范的，评价安全的方法没有条文可依据，在本项目中首次提出以国内外类似拱坝工程模拟分析为基础，对小湾高拱坝通过类比方法进行安全性评价，这一建议得到了采纳和立项，对未来的新规范制订奠定了坚实的技术基础。

②在研究小湾拱坝复杂的基础岩体地质条件和特高坝高等特点基础上，通过认真研究和比较，提出了国内外与小湾拱坝有类似工程地质条件或坝高级别相同的5个拱坝工程萨扬舒申思克、Kolnbrein、李家峡、石门、藤子沟进行对比，并被采纳。

③充分考虑了拱坝与坝基的整体联合作用，本项目研究的三维有限元网格尽可能详尽真实地模拟了坝址区全部重要的断层、蚀变带，混凝土处理置换硐塞、上下游混凝土贴角、坝体上游面诱导缝，沿建基面的岩体卸荷带等，数值模型节点总数高达71万个，在拱坝研究方面达到空前的复杂程度和计算规模。

④小湾坝址各类岩体分区十分复杂，力学性质具有各向异性，分析模型比较逼真地进行了分区模拟，采用适用的无抗拉强度、各向异性的遍有节理M-U模型进行模拟。

⑤在拱坝的整体安全度分析中，对规范中的超载安全度进行了明确的定义、补充和说明，物理意义更加明确，更具有操作性。对面安全系数的计算进行了规范化，并对建基面附近坝基卸荷的纯摩和剪摩面安全系数进行了多角度多尺度评价。

⑥为了深入了解拱坝和基础的整体变形特征和安全度，采用了超载、先降强后超载，岩体力学参数分别取高、中、低值等多种方案的研究方法。

⑦采用了坝体屈服体积与坝体体积之比、坝基塑性区体积（或面积）与坝基整体体积（或面积）之比的新概念，来反映超载过程中坝体和岩体塑性区逐步扩大的过程。

⑧专门研制了复杂地质条件下拱坝三维数值模型自动生成系统，自动生成类比工程石门拱坝、藤子沟拱坝数值模型，比大型国外商业程序效率提高10倍以上，为顺利完成科研任务奠定了基础。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

国外类似研究很少，国内其它研究单位类似研究成果在工程地质方面有所应用，但未考虑软化型扩展屈服准则等。项目总体达到国际先进、部分国际领先水平。

成果应用情况及社会经济效益

小湾拱坝坝高294.5m，是目前世界上最高的拱坝，在拱坝建基面浅表部位岩体开挖卸荷松弛现象严重，存在拱坝底部浅层抗滑稳定问题。此问题非常复杂，国内经验很少，对国外的情况也掌握不多，设计规范中也无明确说明，只能根据工程实际情况研究确定。

项目通过对小湾拱坝坝基浅层卸荷松弛岩体全面系统的分析研究，建立了较切合实际的数学模型，通过与国内外萨扬舒申思克、Kolnbrein、李家峡、石门、藤子沟等完建拱坝的工程类比，阐明了坝基浅层卸荷松弛岩体对小湾拱坝局部稳定安全性的影响和小湾拱坝的整体安全度状况，并进一步证明了采取具有针对性综合工程处理措施的必要性，为小湾拱坝的顺利建设和安全运行提供了强有力的技术支持，具有重大的社会效益。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

复杂地质条件下拱坝三维数值模型自动生成系统具有自动化、高效的特点，但对于硐室群、诱导缝等需要增加块体布尔运算功能。

建设中的小湾水电站拱坝