题 献 综 述
文 目：
重力坝设计
摘要：重力坝从结构上可分为：实体重力坝，宽缝重力坝和空腹重力坝三种类型。对于这几种坝型，本文主要从应力、稳定及结构优化设计，温控等方面简要介绍了当前的处理方法并对重力坝研究的发展方向进行了展望。
关键词：重力坝 应力 稳定及结构优化设计 温控 发展趋势
1、选题的目的及意义
重力坝是一种古老的坝型，以其体形简单、便于泄洪和能适应多种地基条件而被广泛采用。在漫长的坝工发展史上，特别是20世纪利用混凝土建坝以来，重力坝起了重要的作用（沈崇刚，1999.12）[1]。中国是一个坝工大国，大坝的建设已有2500多年历史，无论是从数量上还是从规模上都居于世界前列。新中国成立以来，共修建堤坝86900多座（郑连第，2000.4）[2]截至1982年，超过200米的大坝有24座，超过100米的有345座，超过60米的有1350座。它们在水力发电、防洪减灾、工农业用水、航运、水产和环保旅游等方面，发挥了巨大的社会效益和经济效益。随着水利水电事业的发展，大坝的建设必将更加迅猛的发展（程念高，2000.2） [3]
混凝土重力坝是高度可靠建筑物，其可靠性在坝工建设发展过程中通过完善的施工和运行方法予以保证。但是大坝像所有其他建筑物一样也会发生事故（刘浩吾，1999.7）[4]。根据国际大坝委员会提供的资料，截至1987年1月，在国际大坝委员会72个成员国正在运行的36 235座各种类型的高坝(其中包括中国的17406座坝)中，有事故记录的即有1 105座，其中107座坝遭到破坏。根据1900-1980年大坝故障统计资料，岩基上混凝土坝在破坏方面的可靠性为0. 99767，在损坏方面的可靠性则为0. 9556每年因大坝破坏造成的死亡人数达133~146人。法国的马尔赛拱坝，美国的提堂坝以及我国的板桥，石漫滩等大坝的失事就曾给下游人们带来严重的灾难（邢林生，2001.1）[5]。我国2000年对96座大、中型水电站大坝重大缺陷和隐患进行了分析统计。约40%的大坝防洪标准低于现行规范的要求。有60多座呈现出老化的现象，这不仅威胁防洪安全，而且严重影响水库发展及水电站效益的发挥。因此，对混凝土重力坝的进一步研究具有非常重要的理论意义和现实意义。
2、重力坝的结构类型及研究热点
重力坝是国内外建造数量最多的一种混凝土坝，至2000年为止，我国已建混凝土重力坝150座，其中实体重力坝125座，宽缝重力坝17座，空腹重力 坝8座。
2.1实体重力坝
2.1.1实体重力坝的优点
实体重力坝是建造最多的一种混凝土坝，代表性的工程有三峡坝高（175 m、刘家峡坝高（147 m ),三门峡坝高（106 m)、漫湾坝高（132 m)、乌江渡拱形重力坝高（165 m）筹。实体重力坝的优点:(1）对地形、地质条件的适应性较好，一般岩基都可采用;(2)便于坝体溢洪、泄水、引水，如三峡大坝在同一坝段上布置了表孔、深孔及导流底孔;(3）容易解决施工导流问题，不但坝身可布置导流孔，必要时未完工坝体上面也可宣泄洪水;(4）结构简单，便于施工。实体重力坝的缺点是坝体混凝土体积较大，在各种混凝土坝中，其体积最大。
2.1.2实体重力坝研究重点
实体重力坝在我国在建或拟建的重力坝中所占比例最大， 但因其体积庞大， 使其修建成本较高， 如何通过结构断面优化达到降低实体重力坝的体积是目前研究的重点。结构优化是在满足结构安全性和稳定性的前提下， 使结构的材料分布更均匀合理， 而结构优化中以结构拓扑优化 (MICHELL A G M . 1904)［6］ 为当前研究的热点。结构拓扑优化主要分为连续性拓扑优化和离散性拓扑优化(BENDOSE M P . 1995)［7］ ， 目前研究较多的为连续性拓扑优化， 其主要方法有均匀化方法 ( Homogenization Meth-od) (BENDSOE M P， KIJUCHI N．1988)［8］ 、 变密度法(Variable Density Method) (BENDSOE M P ．1989)［9］ 、 渐进结构优化法(Evolutionary structural optimization) (XIE Y M，
STEVEN G P．1993)［10］等。
2. 2宽缝重力坝
瑞士早期建造了小狄克逊宽缝重力坝（大狄克逊实体重力坝建成后被淹没），我国在1958 ~ 1990年曾修建了17座宽缝重力坝，典型工程有新安江坝(高105 m）、丹江口坝（高97 m)、云山条坝（高113 m）等。 宽缝重力坝与实体重力坝的主要差别是坝内有宽缝，当初认为:(1)通过宽缝容易散热，有利于坝体温控;(2)宽缝减少了扬压力，可节省10%~2%的坝体混凝土。
实践经验表明，宽缝重力坝的上述两个优点实际是不存在的(朱伯芳，2003)[11]。
首先分析温控防裂问题。混凝土浇筑以后，水化热温升发展很快，在距离表面2m以外处水化热实际上很难向外散发，宽缝重力坝的厚度为12一15 m坝内广大范围内的水化热温升并不会由于宽缝的存在而降低。因此宽缝重力坝与实体重力坝的基础温差实际是相同的。单纯依靠宽缝的散热也不能使坝体内部温度降低到稳定温度，仍需依靠冷却水管降温，但由于有了宽缝，混凝土暴露面积大量增加。到了冬季，在寒潮和低温作用下，裂缝机会大为增加。特别是基础强约束区混凝土也长期暴露，容易由表及里产生贯穿性裂缝。相反，实体重力坝由于两
旁已浇筑了混凝土，内部温度比较稳定，裂缝机会少得多（朱伯芳，2003；朱伯芳，1998）[11、12]。
我国20世纪50年代末建造的三门峡实体重力坝裂缝很少，同时建造的丹江口等宽缝重力坝，裂缝很多。前苏联在西伯利亚建造的布拉茨克、马麻康等宽 缝重力坝，裂缝严重，稍后建造的克拉斯诺雅尔斯克实体重力坝裂缝不多。这些实际工程事例，充分说明了宽缝重力坝不但没有“容易散热”的优点，反而具 有容易裂缝的缺点。
2.3空腹重力坝
目前，国内外针对空腹重力坝的研究主要集中在应力、稳定及结构优化设计 等方面。
范金星、罗贝尔、王均星对竹篙滩浆砌石空腹重力坝有限元分析认为拉应力 区发生在坝踵齿墙下游面与坝基交点、空腹前腿拱顶和空腹底板三处，基本上都 是由于应力集中现象引起，分布范围较小深度都在0.5 m以内;空腹前腿底部和坝趾部位存在局部较大的压应力区，也是由于应力集中现象引起，分布范围较小， 主压应力大于2 MPa的区域为高0.5 m、水平延伸0.3 m以内（范金星，罗贝尔，王均星等，2009.8）[13]。范金星用荷载转换的非线性迭代计算方法，用迭代解模拟节理真实的应力一变形特性，利用非线性有限元的方法，计算分析了位于湖南省的小破流浆砌石空腹重力坝在不同种工况下的位移、应力，得到了其位移、应力的矢量图和应力、位移的等值线图，进而依据位移、应力特征和应力一应变变化过程对该空腹重力坝的结构安全、裂缝产生的原因以及沿坝建基面的抗滑稳定性进行分析，为大坝除险加固提供了正确的处理方法和可靠依据(范金星, 2010.2)[14]。傅潮江、江凌采取弹性理论的有限元法来分析坝踵应力，对影响坝踵应力的诸多因素进行了分析，以便为坝踵应力的取值提供设计依据(傅潮江 江凌, 2001.2)[15];张爱军、哈岸英等利用岱峪水库浆砌石空腹重力坝扬压力的实测结果，对该坝进行了抗滑稳定复核，并进行了应力数值分析，探讨该坝型实际应力的分布特点(张爱军 哈岸英 徐秋宁, 2004.3)[16];然而，坝踵应力控制的标准仍是一个尚未解决的问题。徐国平等认为，在网格划分比较均匀时，可直接将坝踵处电算应力值作为取值标准，并控制该值不超过材料的允许拉应力，若拉应力较大，可修改坝体剖面或空腹尺寸，也可按开裂后的影响进行分析，并将坝踵部分的相应几个单元改为铰接的形式(施工时可以形成冷缝来代替)，并设置止水。至于空腹顶拱的应力，可按材料允许应力进行控制，即使空腹顶出现的拉应力足够引起部分开裂，也能引起空腹顶内力重分布，不致影响顶拱的正常工作(]徐国平, 1982.10) [17]。
除上述研究外，王省离提出空腹重力坝设计的新方法，即两种比较理想的新
坝型一等控重力坝和新型空腹重力坝(土省离, 1984.2)[18];由敬舜、杨德品、傅潮江采用序列二次规划进行了空腹设拱坝断面的优化设计，在求解过程中应用了运动极限和约束删除技术对空腹设拱重力坝进行了优化设计(]由敬舜 杨德品 傅潮江, 1992.4)[19];何剑晰、郭明合根据石泉空腹重力坝坝体应力与扬压力观测资料的整理分析，认为温度荷载是空腹坝设计中一个不可缺少的重要荷载(]何剑布，郭明合, 1982.3)[20];形协调法分析空腹重力坝应力认为变形协调法、平面光弹试验与有限元法电算三种不同途径所得应力成果表明，其应力分布规律基本一致，只是数量上略有差别(杨开泰, 1984.6)[21]。
3 混凝土重力坝发展趋势
采取各种措施增加碾压混凝土量在坝体混凝土量中的比例,提高碾压混凝土坝的经济性。美国碾压混凝土坝平均碾压混凝土量占平均坝体混凝土量的92.5 % ,是比例最高的。将材料力学法和有限元等效应力法相结合, 对坝体应力计算采用材料力学法,对坝基采用有限元等效应力法, 从而使应力数值解趋于稳定、计算结果精确、抗滑稳定性分析更为全面, 使计算过程简单化和计算结果精确化。用经济，技术上可行的处理措施来取代纵缝灌浆甚至是取消纵缝。扩大活性掺和料的范围,不仅掺用粉煤灰,而且还掺用石灰石粉、粒化高炉矿渣。有的甚至只采用高钙粉煤灰、石灰石粉和粒化高炉矿渣混合的活性掺和料,而没有水泥成分(周建平)[22]。
4 结束语
重力坝的优化设计研究无论是在理论还是在实践当中都已经取得了很大进展。各位专家学者提出的各种优化方法都在具体的工程都进行了应用，并得到了很好的结果。通过这些文献可以看出对于重力坝优化设计的理论研究已经比较成熟了，但是对于实践，可以看出大部分优化方法是用Fortran语言开发的，而且很多方法只能适用于一种或某一种具体工程，目前还没有开发出通用、可视、满足各种工况的程序(袁光裕, 2008)[23]。为此，今后重力坝的优化设计可以根据现有比较成熟的理论，进行优化设计通用、可视化、满足所有重力坝工程的程序。在今后的研究当中还可以把现有的重力坝优化设计理论推广到各种坝工的结构优化设计当中，并开发出适合所以坝工结构设计的程序。
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[23]袁光裕主编，《水利工程施工》[M]，北京：水利电力出版社，2008。