朱伯芳 董福品

我国已建拱坝约占世界一半，今后要修建更多拱坝。拱坝厚度取决于允许应力，应力控制标准对于拱坝经济性和安全性具有决定性的影响。实践经验表明，我国现行混凝土拱坝设计规范存在下列问题：设计标准与建筑物重要性无关；允许拉应力与混凝土强度无关；多拱梁法不同软件计算结果不一致，拉应力相差较多；有限元法由于应力集中，缺乏合适的应力控制标准。因此，解决好高拱坝的应力控制标准问题，是十分必要的，不仅是当务之急，也是为21世纪水电建设提供重要技术储备的课题。

本项目是"九五"国家重点科技攻关的一个专题，结合小湾和溪洛渡两两工程，系统深入地研究了影响拱坝应力控制标准的各项因素对拱坝应力状态的影响，提出了一套新的高拱坝应力控制标准，克服了现行拱坝设计规范中的缺点，比国内外现有的拱坝应力控制标准考虑的因素更全面、更合理，具有重要工程应用价值和重大的创新和突破。通过大量的模型试验和非线性有限元分析，提出了新的拱坝孔口结构配筋公式，用钢量可以节约25％，解决了以往孔口结构配筋较多的问题。

本项目取得的主要成果为:

（1）拱坝应力与设计荷载和计算软件有关，国内外现有拱坝应力计算成果，由于设计荷载不同、计算方法和计算软件不同，难以在统一的基础上进行对比，我们在国内外首次用三维有限元法和多拱梁法，按照统一的设计荷载，对国内外已建的13座拱坝进行了大规模的、系统的计算和分析，得出了这些已建拱坝用我国拱坝设计规范所规定的设计荷载和我国研制的多拱梁法和有限元法软件求出的应力状态和拉应力分布范围。有限元等效应力可以消除有限元法的应力集中现象，它与多拱梁的计算结果是可比的，可以用有限元等效应力作为有限元计算结果的代表值来衡量坝体的应力水平；许多拱坝在坝顶部位出现了全断面受拉的情况，很难将拉应力范围作为应力控制指标。在本项成果的基础上提出了有限元等效应力法的应力控制标准。

（2）对现行拱坝设计规范中没有考虑或考虑不周的因素进行了系统的分析：①封拱前由于施工期温度变化而引起的初始应力，用三维有限元法进行了全过程仿真计算，表明接缝灌浆前，坝体已存在着相当大的初始应力，坝踵竖向拉应力约0.80MPa，内部拉应力约1.0MPa；②拱坝运行期非线性温差引起的拉应力，三维有限元分析结果表明，考虑非线性温差后，上游坝面拉应力增加0.30MPa（下部）～0.70MPa（上部），下游面拉应力增加l.0～l.5Mpa；③蓄水后混凝土湿胀引起的坝踵竖向压应力约0.7MPa～1.4Mpa；④横缝不抗拉，经三维非线性有限元分析，对小湾拱坝，在静荷载作用下，影响不大；⑤分期施工对坝体应力有显著影响；⑥库盆水压力对坝体应力有较大影响。

（3）在以上研究的基础上，首先对影响拱坝应力控制标准的各项因素进行深入的分析，然后结合理论分析和总结国内外拱坝建设实践经验，提出了一套新的拱坝应力控制标准。

（4）著名坝工专家Lombardi提出拱坝柔度系数C作为拱坝体形宏观控制指标，受到国内外重视。经研究发现，柔度系数相同而坝高不同的拱坝，其安全度与坝高成反比。因此我们提出了拱坝的应力水平系数 D和安全水平系数J作为拱坝体形的宏观判断指标，能更好地反映拱坝的安全度，比柔度系数更为合理。

（5）提出了拱坝损伤断裂力学模型，将塑性、损伤和水力劈裂有机地结合在同一个本构关系中，编制了程序，对小湾拱坝的开裂、破坏过程进行了分析。在学术上有所发展。

（6）从节省投资、温度控制、弹性稳定、抗地震等方面探讨了提高拱坝混凝土强度等级的可行性。研究结果表明，提高拱坝混凝土强度等级在技术上是可行的，在经济上可带来巨大的效益，有可能节省拱坝投资30~40%。因此提高混凝土强度等级是一个值得重视的研究方向。

（7）采用模型试验与有限元数值计算两种手段对拱坝在不同工作阶段的孔口应力分布、开裂和破坏规律以及配筋数量、方式对其影响进行了研究。通过1:6的大孔口模型试验表明，按拉应力图形进行配筋是可以保证孔口结构的强度要求，而且有相当的安全余度，设计方法是保守的。通过大量的非线性有限元分析，本文提出了新的拱坝孔口结构配筋公式。其形式基本与线弹性配筋公式保持一致，沿用线弹性方法进行计算，通过配筋的调整系数来考虑钢筋和混凝土非线性性质。经可靠度分析给出了调整系数的取值为0.75时，此时结构的可靠指标与目标可靠指标大体相当。

该项目的多项研究成果已被新编制的《混凝土拱坝设计规范》采用，对拱坝应力控制标准的修改起到了重要的作用，经过修改，新编拱坝设计规范更为合理，对今后我国拱坝建设将发挥重要社会经济效益。研究成果已应用于小湾和溪洛渡拱坝设计，取得了很好的经济和社会效益。

在由国家电力公司组织的鉴定会上，被评为"研究成果总体上达到国际领先水平"。2002年获中国电力科技进步一等奖。