拱坝结构稳定是坝体、岩体及其交界面三者的整体稳定,内容包括拱座稳定、上滑稳定和坝体结构稳定等,是拱坝设计与研究的重要课题之一。由于我国高拱坝建设的兴起,以及拱坝体形优化设计使坝体的厚度更薄,拱坝部分区域已接近薄壳结构,可能导致坝体结构失稳的发生。以往坝工界对坝体应力研究较多,对拱座稳定和上滑失稳研究也较多,而对坝体结构稳定则少有研究。围绕目前高拱坝建设中的热点和重点问题,结合973计划课题:多因素相互作用下地质工程系统的整体稳定性研究(编号 2002CB412707),重点研究高拱坝的稳定转异以及体形优化,现将主要内容归纳如下: 本文提出基于拱梁分载法的拱坝稳定分析方法,即在拱梁分载法的基础上,分别分析拱圈和悬臂梁的稳定,建立相应的稳定计算公式,统一坝体结构稳定和应力计算方法。利用该法研究表明:坝体结构失稳的控制拱圈一般在拱顶,悬臂梁的稳定性高于水平拱圈。 在对国内外众多高薄拱坝的几何参数进行统计分析基础上,建立空间稳定分析的典型拱坝数值分析模型,分析讨论了几何特征、受力状况和边界条件等因素对拱坝坝体稳定的影响规律。采用柔度系数反映拱坝柔度,通过对拱坝坝体稳定的有限元数值计算,研究拱坝坝体稳定与强度的关系,定义发生强度和失稳破坏的界限柔度为“界限柔度系数”,作为厚薄拱坝新的划分标准。柔度系数大于“界限柔度系数”,拱坝破坏可能带有失稳性质,属薄拱坝范围;柔度系数小于“界限柔度系数”,拱坝将发生强度破坏,属厚拱坝范围。较之以厚高比定义厚薄拱坝,以是发生强度破坏还是发生失稳破坏来定义厚薄拱坝有着明确的力学概念。对于300m级别的高拱坝,当柔度系数大于“界限柔度系数”时,可能先发生坝体结构失稳,把其应力控制标准做一定的修正,考虑坝体结构失稳对应力控制指标降低的作用。 本文将突变理论应用在坝体结构失稳研究上,以尖拐型突变模型为例,根据典型拱坝坝体稳定有限元计算结果进行拟合,判别拱坝坝体的稳定性。结果表明:突变理论的稳定性判别与有限元稳定计算结果是吻合的。 本文采用结构优化理论,对拱坝主要体形参数柔度系数和厚高比进行了优化分析,提出在坝体稳定约束条件下的最小厚高比和最大柔度系数,为拱坝设计和研究提供参考。体形优化结果表明:最大柔度系数很少的减小或最小厚高比很小的增加,即坝体刚度较小的提高,将使拱坝的稳定安全度获得大大的提高。