300m級高拱壩結構問(wèn)題研究（96－221－04）是“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項目“高壩工程技術(shù)研究”的第4個(gè)課題�？萍脊リP(guān)是結合即將興建的小灣和溪洛渡兩座特高混凝土拱壩進(jìn)行的。小灣拱壩高292m，溪洛渡拱壩高278m，均超過(guò)了目前世界最高的格魯吉亞英古里拱壩（高272m）。本課題包括3個(gè)專(zhuān)題：①高拱壩應力控制標準研究；②高拱壩新型合理體型的研究和應用；③高拱壩壩基抗滑穩定研究�，F將主要成果分述如下：

　�。�1）用三維有限元法模擬大壩施工和運行過(guò)程，系統地分析了常規設計中沒(méi)有考慮的各項因素對拱壩應力狀態(tài)的影響，如封拱前壩內溫度變化引起的初應力、橫縫不抗拉、施工過(guò)程、非線(xiàn)性溫差等對高拱壩應力的影響。用有限元法和多拱梁法對國內外十余座已建高拱壩進(jìn)行了詳細應力分析，研究了不同計算方法、不同計算軟件、不同網(wǎng)格形式對拱壩應力的影響。對國內外已建的66座高拱壩的計算應力、實(shí)測應力和變位、應力控制標準、混凝土力學(xué)特性、實(shí)際運行情況及各國現行拱壩設計規范進(jìn)行了整理和綜合分析，摸清了在拱壩設計中已經(jīng)考慮的和沒(méi)有考慮而實(shí)際存在的各種因素對高拱壩應力狀態(tài)的影響，為制定新的拱壩應力控制標準奠定了基礎。

　�。�2）現行拱壩應力控制標準存在不少缺點(diǎn)，如應力控制標準與建筑物重要性無(wú)關(guān)、允許拉應力與混凝土強度無(wú)關(guān)、不同計算方法和不同計算軟件算出的應力數值相差較大，但允許應力值是相同的，缺乏有限元法的應力控制標準等。在總結國內外拱壩建設實(shí)踐經(jīng)驗的基礎上，結合理論分析，提出了一套新的高拱壩應力控制標準，克服了現行拱壩設計規范中的缺點(diǎn)，允許應力與建筑物重要性和混凝土強度掛鉤，給出了有限元法、拱梁分載法及不同軟件的允許應力，反映了國內外拱壩建設的實(shí)踐經(jīng)驗和科技進(jìn)步，計算簡(jiǎn)單，與已有工程對比，也切實(shí)可行。

　�。�3）提出并完善了兩種拱壩新體型：混合曲線(xiàn)拱壩和二次曲線(xiàn)拱壩，與現有各種拱壩體型相比，具有明顯優(yōu)勢，在允許應力相同條件下，壩體體積可節省10%以上，在體積相同的條件下，最大應力可降低10%以上。經(jīng)過(guò)最近幾年的積極推廣，混合曲線(xiàn)拱壩已建成的有金龍、奇藝、銅山一級等拱壩，二次曲線(xiàn)拱壩已建成的有下會(huì )坑、溪尾、東吳等拱壩，尚有3座在建。由于拱壩體型優(yōu)化和新體型的推廣應用，已建和在建拱壩的累計經(jīng)驗效益達1.89億元。

　�。�4）完善了拱壩動(dòng)力優(yōu)化的數學(xué)模型、求解方法和工程應用，首次采用了能量模型。完成了拱壩雙目標優(yōu)化的方法和程序，可同時(shí)考慮造價(jià)和安全性，并應用于小灣拱壩，對多目標（壩體體積、應力、拉應力區大小、失效概率等）拱壩優(yōu)化進(jìn)行了探索，并對小灣拱壩的多目標優(yōu)化得到了初步成果。

　�。�5）對周邊縫、底縫拱壩進(jìn)行了詳細的三維非線(xiàn)性分析，深化了對設縫拱壩的認識，并提出了設縫拱壩的優(yōu)化模型和程序。

　�。�6）通過(guò)大量模型試驗和非線(xiàn)性有限元分析，研究了孔口配筋對裂縫開(kāi)度、深度及拱壩安全度的影響，提出了合理的配筋方式和新的拱壩孔口配筋公式，用鋼量可節約25%.

　�。�7）首次提出了地震區高拱壩跨縫配筋的設計準則和計算方法，并結合小灣拱壩進(jìn)行了分析。

　�。�8）提出了計算拱壩壩肩穩定的三維極限分析方法，這是基于塑性力學(xué)上限解的一種新方法，并編制了相應的電算程序，理論基礎較扎實(shí)，計算功能較強。

　�。�9）建立了小灣水電站壩址區的水文地質(zhì)模型，提出了密集排水孔的流量結點(diǎn)分配快速計算方法和帶有潛水面的干區虛擬流動(dòng)的不變網(wǎng)格有限元分析方法，研究了地表入滲對邊坡穩定不利的暫態(tài)孔隙水壓力的變化規律，提出了小灣拱壩基礎滲控布置方案。

　�。�10）采用彈黏塑性理論、三維剛體彈簧元、剛體極限平衡法等多種分析方法評價(jià)小灣和溪洛渡拱壩壩肩在動(dòng)力和靜力條件下的抗滑穩定性，搜索出兩岸壩肩最小穩定安全系數的塊體；采用三維彈塑性有限元法和大型地質(zhì)力學(xué)模型，考慮壩址區主要斷裂構造以及洞塞、井塞、錨固等加固措施，對小灣拱壩加固前后的整體穩定性進(jìn)行了對比分析，得出加固處理后小灣拱壩的超載能力。

　�。�11）研究了高拱壩沿建基面失穩的破壞機理，采用線(xiàn)性和非線(xiàn)性有限元方法，對小灣拱壩強度、穩定及可能的破壞形式進(jìn)行了分析，得出了小灣拱壩沿建基面有足夠的抗滑安全性的結論。

　�。�12）提出了拱壩封拱溫度場(chǎng)的兩種優(yōu)化模型，探討了小灣拱壩最優(yōu)封拱溫度及實(shí)施方法。

　�。�13）提出了對拱壩安全度進(jìn)行宏觀(guān)評定的兩個(gè)新的方法；拱壩應力水平系數和安全水平系數，比目前采用的拱壩柔度系數更為合理。

　�。�14）對提高拱壩混凝土強度等級進(jìn)行了探索，從壩體應力、溫度控制、彈性穩定、抗地震及材料特性等方面進(jìn)行分析后得出結論：適當提高拱壩混凝土強度等級是可行的，并可帶來(lái)顯著(zhù)經(jīng)濟效益。

　�。�15）改進(jìn)了Hoek－Brown巖體強度理論，針對含斷續節理巖體強度的各向異性特性，推導出m、S的變化規律，并預測了小灣巖體力學(xué)參數，研究了含斷續節理巖體的破壞機理。

　�。�16）全面、深入地研究了拱圈線(xiàn)型，不同的拱圈線(xiàn)型對壩體混凝土體積的影響可達20%～30%，給出了優(yōu)選拱圈線(xiàn)型方法和程序。

　�。�17）建立了多裂隙巖體在初始損傷、損傷演化和塑性損傷變形狀態(tài)下的三維彈塑性損傷本構模型；研究了可以反映錨桿（索）加固機理的損傷巖錨柱單元，并根據能量等效原形和變形相容條件推導了巖錨柱單元的彈性損傷系數及損傷巖錨柱單元對巖體剛度的影響。