高碾压混凝土拱坝结构可靠度分析与破坏试验研究
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摘要
沙牌碾压混凝土拱坝是目前世界上在建的最高碾压混凝土拱坝，最大坝高132m。为了使工程优质、快速建成，同时推动我国碾压混凝土筑坝技术的发展，它被列入国家“九五”重点科技攻关项目。在此期间对工程中面临的一系列关键技术问题，如设计理论、计算方法、结构设计、材料选择和施工工艺等进行深入研究。特别是在结构设计中，大坝采用了两条诱导缝加两条横缝的分缝方案，以诱导坝体裂缝在预想部位发生，并进行灌浆处理，从而限制拱坝开裂部位及裂缝扩展，确保大坝安全运行。但是设缝后，坝体的开裂是否会在预想部位发生，诱导缝开裂失效的可靠性如何，以及坝体可能出现的破坏形态和破坏机制是工程设计中需要研究和解决的关键问题。
本论文结合国家“九五”科技攻关项目，应用断裂力学、数理统计、优化分析以及神经网络等基本理论，采用三维物理模型试验和随机可靠度分析方法对沙牌碾压混凝土高拱坝进行了材料性能试验、结构可靠度分析和坝体的开裂与破坏机制研究。
首先进行了碾压混凝土的断裂性能试验，获得了碾压混凝土的断裂韧度、断裂能等力学指标，为计算分析和试验研究提供了基础资料；在结构可靠度研究中，探索了一种基于人工神经网络的拱坝可靠度分析方法，对拱坝坝体及诱导缝进行了可靠度分析，获得了各结点的可靠性指标β，揭示了坝体及诱导缝开裂失效的概率，最易开裂的部位；在三维整体结构模型破坏试验中，
四）【I人学硕十学位论文
建立了原、模型诱导缝开裂相似条件，进行了诱导缝的开裂相似模拟，获得
了拱坝的应力与变形分布特性，揭示了拱坝超载破坏的发展过程、破坏形态
和破坏机理。
论文从不同的角度，采用不同的分析方法，相互验证，互为补充。特别
是从随机力学的角度分析了沙牌拱坝的可靠度，进一步完善了攻关期间对沙
牌拱坝结构特性的研究。为拱坝的可靠度分析探索了一种易于编程及处理的
简单适用方法。
ShaPai RCC arch dam is the newly highest RCC arch darn on the earth. It is I 32m high. In order to not only complete the engineering rapidly and high-quality but also accelerate RCC technique, the engineering was determined the country tackling project in inth-Five-Year Plan? The key problem such as design theory, calculating method, material selection and construction technique had been researched during last five years. Especially structure adopts two induced joints and two transverse joints in order to prevent the darn from producing irregular cracks, induce the cracks to produce in expected position. Following grouting on them to assure the stability of the dam. However, the cracks occur in expected position or not, how much probability is the induced cracks craze, and the security and the probable counterworking mechanism of the dam are all key technical problems in engineering design.
Combined with the country's tackling project Shapai RCC arch dam in ~Ninth-Five-Year Plan? the paper analyzes the ShaPai RCC arch dam in detail by 3-D mechanics model test and stochastic reliability analysis. Advanced solar theory, optimization theory, fracture mechanics theory and ANN method is applied to the analysis of the arch dam. Material property is tested for the following work.
At first, RCC rupture strength and fracture coefficient is acquired by RCC fracture test, which provides basal datum for following calculation and model test. A method based on artificial neural network method for analyzing arch dam's structural
probability is recommended among the structural reliability research. Calculating and analyzing provide the lapse probability of the dam and the induced joints and the easiest lapse section. 3D model test establishes cracking analogy requirement between prototype and model simulates the induced joints by applying fracture principle and shows the stress distribution and strain distribution of the arch dam. Moreover model test demonstrates the destruct course, the destruct shape and the destruct mechanism of the overloading dani.
Different points of view and methods validate each other and complement each other in the paper. Especially stochastic reliability analysis of Shapai arch dam complements the research for the RCC dam structure in?Ninth-Five-Year Plan? An easy-programmed random analysis method is recommended for probability calculation of arch dam.
本论文结合国家“九五”科技攻关项目，应用断裂力学、数理统计、优化分析以及神经网络等基本理论，采用三维物理模型试验和随机可靠度分析方法对沙牌碾压混凝土高拱坝进行了材料性能试验、结构可靠度分析和坝体的开裂与破坏机制研究。
首先进行了碾压混凝土的断裂性能试验，获得了碾压混凝土的断裂韧度、断裂能等力学指标，为计算分析和试验研究提供了基础资料；在结构可靠度研究中，探索了一种基于人工神经网络的拱坝可靠度分析方法，对拱坝坝体及诱导缝进行了可靠度分析，获得了各结点的可靠性指标β，揭示了坝体及诱导缝开裂失效的概率，最易开裂的部位；在三维整体结构模型破坏试验中，
四）【I人学硕十学位论文
建立了原、模型诱导缝开裂相似条件，进行了诱导缝的开裂相似模拟，获得
了拱坝的应力与变形分布特性，揭示了拱坝超载破坏的发展过程、破坏形态
和破坏机理。
论文从不同的角度，采用不同的分析方法，相互验证，互为补充。特别
是从随机力学的角度分析了沙牌拱坝的可靠度，进一步完善了攻关期间对沙
牌拱坝结构特性的研究。为拱坝的可靠度分析探索了一种易于编程及处理的
简单适用方法。
ShaPai RCC arch dam is the newly highest RCC arch darn on the earth. It is I 32m high. In order to not only complete the engineering rapidly and high-quality but also accelerate RCC technique, the engineering was determined the country tackling project in inth-Five-Year Plan? The key problem such as design theory, calculating method, material selection and construction technique had been researched during last five years. Especially structure adopts two induced joints and two transverse joints in order to prevent the darn from producing irregular cracks, induce the cracks to produce in expected position. Following grouting on them to assure the stability of the dam. However, the cracks occur in expected position or not, how much probability is the induced cracks craze, and the security and the probable counterworking mechanism of the dam are all key technical problems in engineering design.
Combined with the country's tackling project Shapai RCC arch dam in ~Ninth-Five-Year Plan? the paper analyzes the ShaPai RCC arch dam in detail by 3-D mechanics model test and stochastic reliability analysis. Advanced solar theory, optimization theory, fracture mechanics theory and ANN method is applied to the analysis of the arch dam. Material property is tested for the following work.
At first, RCC rupture strength and fracture coefficient is acquired by RCC fracture test, which provides basal datum for following calculation and model test. A method based on artificial neural network method for analyzing arch dam's structural
probability is recommended among the structural reliability research. Calculating and analyzing provide the lapse probability of the dam and the induced joints and the easiest lapse section. 3D model test establishes cracking analogy requirement between prototype and model simulates the induced joints by applying fracture principle and shows the stress distribution and strain distribution of the arch dam. Moreover model test demonstrates the destruct course, the destruct shape and the destruct mechanism of the overloading dani.
Different points of view and methods validate each other and complement each other in the paper. Especially stochastic reliability analysis of Shapai arch dam complements the research for the RCC dam structure in?Ninth-Five-Year Plan? An easy-programmed random analysis method is recommended for probability calculation of arch dam.
引文
[1] 沈崇刚中国碾压混凝土坝当前技术进展与运行经验．RCC99碾压混凝土筑坝技术国际会议论文集．
[2] 普定拱坝碾压混凝土筑坝新技术研究．国家电力公司贵阳勘测研究院科研所．1993．12．
[3] 张镜剑等．普定碾压混凝土拱坝诱导缝研究报告．华北水利水电学院．“八五”国家科技攻关报告，1994．3．
[4] 李朝国等．普定RCC拱坝结构特性试验研究．“八五”国家科技攻关报告．四川联合大学．1993．
[5] 普定碾压混凝土拱坝筑坝技术研究．国家电力公司贵阳勘测设计研究院．1994年．
[6] 李朝国，张林等．高碾压混凝土拱坝结构模型试验及破坏试验研究．四川大学水电学院．1995．6．
[7] 曾昭扬等，碾压混凝土拱坝横缝及诱导缝合理布置，水力发电 1998．
[8] 碾压混凝土高坝筑坝技术研究．“九五”国家重点科技项目(攻关)所属专题可行性研究报告．国家计划委员会．
[9] 高碾压混凝土拱坝分缝及建坝材料特性研究专题研究报告．国家电力公司成都勘测设计研究院．2000．9．
[10] 余骁中，岩石和混凝土断裂力学，中南工业大学出版社，1991年．
[11] 张林等．模型试验新技术在普定、沙牌碾压混凝土拱坝试验研究中的应用．RCC’99碾压混凝土筑坝技术国际会议论文集．
[12] 李朝国等．综合法与超载法在沙牌RCC拱坝坝肩稳定分析中的应用．四川联合大学学报(工程科学版)Vol：1 No．3 May 1997．
[13] 涂传林等．龙滩碾压混凝土层面抗剪(断)特性研究．中南勘测设计研究院．1995．2．
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[16] Zhang X T. Proc of the first China-USA-Japan workshop on civil infrastructure system. Shanghai. Tongji Univ Press, 1998. 1～200
[17] 卓家寿，刘宁．计算力学与应用的若干动态与展望．河海大学学报，1996，24(计算力学专辑)；1～9．
[18] 吴世伟．结构可靠度分析．北京：交通出版社，1988．1～30．
[19] 赵国潘，曹居易，张宽权．工程结构可靠度．北京：水利电力出版社，1984．1～200．
[20] 赵国藩等．广义随机空间内的结构可靠度实用分析法．
[21] 肖熙．应用最优性条件的结构可靠性半概率分析方法．
[22] 王光远、陈树勋．工程结构系统软件设计理论及应用．北京：国防工业出版社，1996．1～200．
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[36] Yonas B. Dibike, Dimitri Solomatine,Michael B. Abbott, On the encapsulation of numerical-hydraulic models in artifical neural network, Journal of Hydraulic Research, 1999,37(2).
[37] Yonas B. Dibike, Michael B. Abbott, Application of artificial neural networks to the simulation of a two dimension flow,Journal of Hydraulic Research, 1999,37(4)
[38] Li Rong, Li Yitian, Application of neural network in flood prediction, International Journal of Sediment Research, 1999,14(2).
[39] J. Anmala, K. V. Nedunuri, R.S. govindaraje, and J. K. goelliker, Neural networks for prddiction of water shed runoff, Watershed Management Planning for the 21st Century, Edit by Jim Jward, 1995.
[40] 蔡煜东，姚林声，径流长期预报的人工神经网络方法，水科学进展，1995．6(1)．
[41] Kuolin Hsu, Hoshin V. Gupta, and Soroosh Sorooshian, Streamflow forecasiting using artificial neural networks, Water Resources Engineering'98, Vol. 2, Edit by Steven R. Abt, Jayne Yong-Jpezeshk & Chester C. Watson.
[42] 韦柳涛等，神经网络在梯级水电厂短期优化调度中的应用，水电能源科学，1992，10(3)．
[43] 胡铁松，万永华，冯尚友，水库群优化调度函数的人工神经网络方法研究，水科学进展，1995，6(2)．
[44] Hecht Nielsen R., Komogrov's mapping neural network existence theorem, Proceedings of the international conference on Neural Networks. New York: IEEE Press, 1987(3).
[45] 刘国东，丁晶，BP网络用于水文预测的几个问题探讨，水利学报，1999(1)．
[46] 周继成等，人工神经网络-第六代计算机的实现．北京，科学出版社，1993．
[47] 段乐斋，艾永平，二滩拱坝坝体可靠度分析，水利水电工程结构可靠度设计统一标准专题文集，四川科学技术出版社，1994．
[48] 曾昭扬等，高碾压混凝土拱坝诱导缝和横缝布置研究总结报告，1999．5．
[49] 曾昭扬等，高碾压混凝土拱坝诱导缝和横缝布置研究〈之二〉1998．2(“九五”攻关项目)．
[50] 高拱坝碾压混凝土配合比优化及性能研究，国家电力公司成都勘测设计研究院，1995．6．
[51] 张林等，含诱导缝碾压混凝土拱坝开裂和破坏机制研究，四川大学水利水电工程学院，1999．3．
[52] 普定高碾压混凝土拱坝，中国水电八局．1993．5．
[53] 徐士烺，赵国藩．混凝土断裂力学研究．大连理工大学出版社．1991．
[54] 陈兴华，脆性材料结构模型试验，水利电力出版社，1981．
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[37] Yonas B. Dibike, Michael B. Abbott, Application of artificial neural networks to the simulation of a two dimension flow,Journal of Hydraulic Research, 1999,37(4)
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