灾变条件下高拱坝整体失效分析的理论与方法

为了发展国民经济,充分利用水资源和水能资源,我国在建和拟建的十多座高拱坝高度在200m以上,达到300m量级,无论是建设规模还是建设难度均为世界之最,存在不少具有挑战性的科学技术问题。它们大多建于西部高山峡谷地区,地形地质条件复杂、环境恶劣、地震烈度高,严重威胁高拱坝的安全。因此,高拱坝在灾变条件下的破坏机制和安全评估一直是坝工专家高度关注的问题。高拱坝的整体破坏机制和相应的分析方法是拱坝安全性研究的主要内容之一,但至今对整体破坏的力学机制没有统一的认识,也没有一个具有力学理论基础的可行方法。该文简略介绍拱坝现行的安全性校核方法,指出存在的问题。根据力学系统的稳定性理论,揭示了高拱坝整体破坏的本质是稳定性问题。基于其破坏过程中荷载位移曲线的特征,论证了高拱坝的失稳破坏是一种由于材料非线性引起的、始于强度破坏的物理不稳定现象,失稳形式为极值点失稳。展示了拱坝整体稳定性的一些分析方法,指出基于弹塑性渐进分析的间接法是目前进行拱坝整体稳定性的可行方法,并通过物理模型试验验证了数值模拟的正确性;同时,也指出该方法并非直接从力学系统稳定性理论导出,科学的分析方法与失稳破坏判据应通过物理扰动方程的研究得到。揭示了非线性对拱坝极限承载能力的影响,理想弹塑性本构和几何线性处理均会高估拱坝的极限承载能力,偏于不安全。给出应用突变理论确定大坝极限承载能力的条件。提出确定极限承载能力的最大弹性变形能判据。