结合失效模式的高拱坝安全度评价

This research does analysis on high arch dam failure mode and mechanism in complex geological conditions based on the finished Wanjiakouzi geomechanical test and the subsequent complementary test, develops a numerical method based on explicit finite element method to calculate the whole failure process of arch dam from initial cracks to losting bearing capacity, then ascertains all the possible failure modes, proposes a safety evaluation method of arch dam with considering the failure mode based on non-probabilistic theory. At last, It will give new criterions to determin whether arch dam reaches its ultimate bearing capacity through statistical analysis of element variations got from numerical calculation.

本项目旨在结合课题组已经完成的世界最高的碾压混凝土拱坝——万家口子拱坝的地质力学模型试验及后续部分试验，研究复杂地质条件下，考虑拱坝、坝肩基础相互作用的拱坝超载破坏机理；将显式有限元引入高拱坝数值计算，建立可以反映拱坝超载初始裂缝的出现、裂缝扩展，直至其失效全过程的数值计算模型；考虑材料及初始裂缝的随机性确定拱坝在超载中可能出现的包含坝体强度失效、拱坝沿建基面滑移、薄弱地质构造等原因引起的各种失效模式；进而，由失效模式形成过程关键裂缝的条数及相互关系，结合非概率可靠度理论，对每一种可能出现的失效模式下的拱坝安全度进行评价；对拱坝-坝肩-坝基结构系统数值计算结果进行统计分析，研究超载过程单元第一主应力、应变能等物理量随超载过程的变化规律，由物理量变化规律对应的超载过程，提出确定拱坝失效的新判据。

由于拱坝具有优良的强超载能力、自调节性能以及工程造价的经济性，全世界坝高200m以上的大坝有一半以上采用拱坝坝型。中国是建造拱坝最多的国家，目前拱坝数量众多且坝高越来越高。由于高拱坝坝高库大，一旦失事，将带来巨大的生命财产损失，因此其安全性备受关注。本项目旨在结合课题组已经完成的世界最高的碾压混凝土拱坝——万家口子拱坝的地质力学模型试验及后续部分试验开展相关研究。为充分了解混凝土结构破坏过程及机理，课题组研究超载失效过程数值模拟，研究方法可以显示结构裂缝扩展过程，为研究大体积混凝土结构的破坏机理奠定基础；结合数值计算结果研究结构超载极限承载力失效判据，发现超载破坏过程中，单元应变能变化率在超载过程中先分散再集中，且单元应变能增长率越分散，表明结构越有较大的超载能力，单元应变能变化率越集中，表明结构越接近超载极限。为结构极限承载力的确定提供一个新的思路；利用显式有限元计算得到拱坝可能出现的失效模式，安全度评价可以结合失效模式进行；考虑大体积混凝土结构多为高度超静定结构，安全性评价需要结合一定的可靠度理论进行。课题组基于最小范数、样本点选择策略等方法改进响应面法研究复杂结构可靠度理论研究及应用，解决隐式或显示极限状态函数的求解效率和精度问题；地质力学模型试验试块材料需要满足一定力学指标，材料试验费时费力。为解决此问题开展地质力学模型试验的快速配比方案研究，提出针对需要的力学指标，快速确定地质力学模型试验材料配比的方法；为充分保证结构的安全，考虑结构地震作用，对弱非线性单自由度非自由振动系统结构在白噪声地震激励下的随机响应和带支撑的单自由度结构双向地震作用下的相应进行了研究。