张国新¹，刘毅¹，张磊¹，刘有志¹，李松辉¹

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

摘要：锦屏一级拱坝是世界上在建的最高拱坝，达到305m，特高拱坝的设计和施工面临众多技术难题，如何把握和准确评估特高拱坝施工期真实工作性态，对保障施工质量和大坝的安全运行至关重要。本文从全坝全过程仿真分析方法出发，讨论了特高拱坝真实荷载的模拟、横缝的真实性态模拟、后期发热绝热温升模型、方程组求解的高效并行算法以及全坝全过程仿真分析平台-SapTis，为研究锦屏一级特高拱坝施工期的真实工作性态提供了技术支撑。文中提出以全坝全过程仿真分析方法对锦屏一级拱坝施工期工作性态进行反演仿真分析，以监测资料为依据指导仿真，通过反演仿真的手段分析问题，反映大坝当前工作性态并对今后的性态进行准确预测，最后提出解决方案。主要针对锦屏一级拱坝施工期横缝局部开度过大问题、横缝开度突变问题、灌浆后横缝局部张开问题以及拱坝的施工期倒悬问题进行了细致的分析和研究，对初次蓄水期面临的提前蓄水压缝问题以及大坝蓄水过程的真实工作性态进行全过程跟踪反演仿真分析，事实反映，通过全坝全过程仿真反演分析手段提出的技术措施和控制手段都在施工过程中采用，且应用效果良好，保障了大坝的施工质量和施工、运行安全；同时，这种分析工作方法为300m级特高拱坝的高质量施工开创了一种新的技术支撑模式。

关键词：锦屏；拱坝；工作性态；反演仿真；缝开度；SapTis

The True Working Performance Inversion Simulation Analysis of Jinping Level-I Arch Dam

Zhang Guoxin¹, Liu Yi¹, Zhang Lei¹, Liu Youzhi¹,Li Songhui¹

(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing, 100038)

Abstract: With the height reaching up to 305m, Jinping Level-I Arch Dam ranks the highest arch dam under construction in the world, which has encountered numerous technical problems in the design and the construction of the extra-high arch dam. Therefore, how to control and exactly assess the true working performance of the extra-high arch dam is of great importance for guaranteeing the construction quality and safe operation of the dam. By virtue of whole dam whole process simulation analysis method, the article discusses the true load simulation of the extra-high arch dam, the true performance simulation of the transverse joint, the post heating adiabatic temperature rising model, the efficient parallel algorithm of the equation set solution and the whole dam whole process simulation analysis platform – SapTis, thus providing technical support for researching the true working performance of the construction period of Jinping Level-I extra-high arch dam. The article adopts simulation analysis method for the whole dam whole process to carry out inversion simulation analysis for the working performance of the construction period of Jinping Level-I Arch Dam, guides the simulation according to the monitoring data and takes advantage of the inversion simulation method to analyze the problems in order to reflect the present working performance of the dam and exactly predict the future performances and finally finds out solutions. The article aims at and carefully analyzes & researches the oversize partial transverse joint opening degree problem, the abrupt change problem of the transverse joint opening degree, the partial opening problem of the transverse joint after grouting during the construction period of Jinping Level-I Arch Dam and the construction period overhang problem of the arch dam. Additionally, by means of the whole process inversion simulation analysis, we study ahead impoundment seam problem of the initial filling and the true working performance of the dam filling process. Actually, the technical measures and control measures proposed by using the whole dam whole process simulation inversion analysis method are both applied in the construction, with satisfactory application effect, thus guaranteeing the construction quality and the construction and operation safety of the dam. Meanwhile, this analysis method creates a new technical support mode for high quality construction of 300m extra-high dam.

Key Words: Jinping; arch dam; working performance; inversion simulation; joint opening degree; SapTis

1 引言

锦屏一级水电站双曲拱坝最大坝高305m，是世界上在建的最高拱坝。随着锦屏一级等特高拱坝的建成，我国高拱坝建设正在实现从跟随到引领的跨越。300m级特高拱坝与200m级拱坝存在着显著的性态差异^[1]，首先，300m级特高拱坝应力水平高，与普通拱坝主要受拉应力控制不同，特高拱坝的拉压应力均达到规范允许应力的临界值，整体安全裕度可能小于普通拱坝；其次，施工期的工作性态与应力会对后期运行状态有较大的影响，使得大坝真实工作性态与初始设计状态出现较大差异；第三，由于特高拱坝底宽较大，混凝土后期温度回升较大，温控防裂的难度加大^[2]，其对通水冷却时空间方面的梯度要求高，导致拱坝施工期悬臂高度增加，可能会导致施工期拱坝工作状态的恶化，有些情况下施工期工作性态会出现安全控制工况。

本文以锦屏一级特高拱坝为研究对象，考虑坝址区复杂的地形地质条件以及拱坝施工期的各种边界条件，从大坝浇筑开始并根据拱坝的实际施工进度、环境边界、监测资料、施工质量等各种因素进行仿真分析和反分析，以求真实、可靠地了解拱坝的工作性态，进一步指导施工和保障大坝的安全运行。

2 全坝全过程仿真分析方法和软件

全坝全过程仿真分析方法是研究锦屏一级高拱坝真实工作性态的重要方法[3]，这一方法的基本特点是三个，一是整坝，是对包括所有横缝、贴角、孔口、闸墩、复杂地质条件在内的整个大坝进行模拟；二是全过程，需要从大坝浇筑第一仓混凝土开始就对大坝施工期、初次蓄水期、运行期的工作性态进行模拟，三是仿真，就是需要从模型、边界条件、施工过程、计算参数等各方面尽可能真的接近真实状态。针对锦屏一级拱坝，主要从以下几个方面来保障施工期工作性态反演仿真的实施。

2.1精细的有限元网格

      根据现场实际的开挖、基础处理、结构设计及最新地质资料进行了有限元建模，模型反映了垫座和大坝的精确体形、细部构造以及各种缝，为适合浇筑过程温度场分析要求，剖分网格时注意了网格的细致程度以及坝体上下游面、地基垫层、贴脚等与水和空气接触部位网格的梯度变化；基础模型反映了复杂的地质构造，包括各种岩石的分区（II类、III1类、III2类、IV1类、IV2类、V1类）、复杂断层（f2、f18、f5、f8、f42-9、f13、f14、X）、地基的各种处理措施（抗剪洞、灌浆、回填等）。

(a)基础                    (b) 坝体               (c)各类缝

图1 锦屏一级拱坝有限元计算网格模型

2.2真实荷载模拟

      目前对大坝变形起主要作用的荷载包括自重、水压以及温度。荷载的模拟采用全过程仿真分析的方法，模拟大坝的施工过程，逐级模拟自重和水压的作用，温度荷载的模拟自混凝土浇筑之日起开始模拟，精确考虑各种环境温度以及混凝土本身的温度变化，考虑温度荷载的全过程，同时根据施工期的监测资料对坝体内部温度过程进行反馈，使荷载的模拟更接近实际情况。

2.3横缝真实性态模拟模型

      横缝性态对于拱坝性态有重要影响。在浇筑早期，由于混凝土温升横缝处于压紧状态，横缝能传递压和剪切作用，抗拉强度较小；冷却过程中，温降收缩，横缝张开，横缝有一定开度；封拱灌浆后，横缝间歇填充，横缝能传递压和剪切作用，且有一定的抗拉强度。对横缝的真实性态的模拟，创新性的通过对接触面开合迭代算法研究，建立能模拟横缝实际开合过程的混凝土接触面模型。在处理接触面单元的开合迭代时，为了防止接触面嵌入带来的上述问题，引入了接触面模型的状态变量，记录每个迭代步前后接触面的开合状态，认为单元状态不再发生改变时迭代收敛；同时，在每个迭代步中采用预先判断接触面状态，及时增减刚度弹簧、加减力的办法，大大加快了收敛速度，在保障计算结果合理的前提下，减小了计算代价，适用于大规模的数值计算。

此外通过对零厚度带键槽接触面单元的应力应变关系的推导，建立了能模拟梯形、三角形和球面键槽的接触面模型。建立有限元模型时，要详细模拟纵横缝内的键槽，工作量巨大，同时操作起来比较困难，因此，用接触面等效键槽模型来模拟键槽的力学行为，是非常有效的。如对于图2所示的球形键槽，接触刚度可以用下式描述：

                                  （1）

式中Kn、Ks为法向、切向接触刚度，αh、αn与如下三种状态有关：

a） ,  闭合, ，

b） , ,张开: ,

c） , , 张开侧滑，侧面接触抗剪:,

（a）张开                          （b）张开侧滑

图2 球形键槽模型示意图

2.4后期发热绝热温升模型

近几年，高拱坝通水冷却降温后，温度又出现大幅度回升，有的甚至在龄期半年到一年后温度仍有回升。为此，我们在常规公式^[6]的基础上提出了组合函数模型，如公式（2）所示，可以更灵活更精确的模拟混凝土实际水化热过程，以便对其温度场和温度应力进行全过程计算分析。

                      

                （2）

                    

2.5方程组求解高效并行算法

       考虑到全坝全过程仿真计算量巨大，研发了高效的并行求解算法；考虑软件的灵活性和可扩展性，分别基于OMP和MPI平台研发了方程组并行求解器。采用基于不完全LU分解的稀疏直接解法并行算法和高效的Krylov子空间迭代法配合预条件技术等多种方法实现超大规模海量计算的线性代数方程组的高效求解。

2.6全坝全过程仿真分析平台－SAPTIS

SapTis^[4,5]是具有20多年开发和应用历史的大型结构多场仿真与非线性分析软件，已具备混凝土坝的浇筑、洞室开挖、温度、渗流、变形、应力等多场仿真、结构非线性分析等各种功能，能够用于模拟混凝土坝从基础开挖、浇筑、蓄水直至长期运行全过程的温度应力、渗流、应力和变形、安全度等仿真分析，该软件能够全过程考虑复杂混凝土结构中施工过程、温度边界条件、混凝土水化热、通水冷却过程、弹性模量变化过程、徐变度等，通过实时仿真，把握混凝土结构的温度、变形、应力的时空分布和工程结构的真实工作性态，目前为止已在三峡、二滩、龙滩、小湾、溪洛渡、锦屏、丹江口等几十个工程中得到应用，取得良好效果。SapTis软件平台是锦屏一级拱坝施工期工作性态反演仿真分析的核心计算平台。

3 基础和大坝变形模量反演

材料的热、力学参数是仿真分析的基础，施工早期监测数据缺乏，一般根据设计参数以及现场和试验室的试验参数来尽可能的反应大坝和基础的真实热、力学性能，随着监测资料的积累，要根据现场实际温度、变形等监测数据，通过全过程仿真计算，对大坝和地基的物理力学参数进行反演和反馈分析，率定分析模型输入参数，确保温度场和应力场计算结果能真实反映工程的实际情况。

对于锦屏一级拱坝，首先进行温度场的反馈，通过调整温度计算参数和条件，使得计算温度过程同实测温度过程吻合，之后利用反馈得到的温度场，并基于坝体变形监测资料，进一步对坝体和基岩的材料参数进行了反馈分析。在反馈分析中，考虑到密度、泊松比以及线膨胀系数等参数以及其它热学参数的变化较小，因此其值根据设计值或试验值选取，并假定其数值是固定不变的，只改变坝体和地基模型的变模取值。反馈分析^[10,11]基本思路是通过不断调整有限元模型中坝体混凝土各个分区以及地基不同类型岩石的变模取值，使得有限元模型计算的坝体位移尽可能地接近坝体实测位移。当计算结果与实测变形均方差取极小值时，所取的模型模量数值即认为是坝体混凝土和基岩比较符合实际的弹性及变形模量值。

锦屏一级拱坝地质条件复杂，基础表层以Ⅲ2和Ⅳ1类岩体为主，内部以Ⅲ1和Ⅱ类岩体为主，深部以Ⅲ1类岩体为主。根据垂线监测成果和廊道沉降监测成果，从地勘资料来看，对于表层岩体实测资料较充分，深部岩体由于技术条件，地勘资料反映不够，因此基础变形模量反演时对于表层以Ⅲ2和Ⅳ1类岩体采用实际试验值，对于内部Ⅲ1和Ⅱ类岩体的变模进行反演，对于深层岩体（1400m以下）的岩体变形模量通过地应力和变形模量的经验关系确定，在这里不再进行反演。此外根据监测资料中坝体廊道沉降观测值的规律，对坝基局部区域细分，进行变模反演。坝体和垫座的弹模在设计弹模的基础上进行反演。由于大坝及基础材料参数较多，必须进行反复试算才能接近大坝及基础材料的修正目标，因此，采用正交试验法进行反演样本的确定，再结合监测资料同大坝和基础变模的影响，最终确定各反演计算工况。基于垂直变位和水平变位的反演思路如下。

（1）垂直变位

垂直变位和坝体、基础变模参数关系密切，不同部位测点垂直变位可以分别反映坝体和基础的变形特点。低高程廊道由于比较靠近坝基，因此其垂直变位数据大部分反映了基岩变形的影响，以此段变位为反馈目标，可以进行基础下部Ⅲ2级岩体、Ⅱ类岩、软弱结构面等材料的竖向变模反馈修正；上部高程其它廊道等相邻高程的廊道竖向变位差值，受基础变模影响较小，基本上可以反映该高程区段大坝混凝土变模的影响，以各段廊道变位差值为反馈目标，初步估计坝体变形模量量值；同样根据多点位移计的变位差，可以预估基础变形模量量值；再综合垂线资料和廊道水准等监测资料，进行大坝混凝土和基础模量反馈修正。

（2）径向变位

坝体径向变位同样受坝体、基础变模参数影响。以坝体径向变位为反馈目标，在根据相邻高程廊道变位差粗估坝体变模的基础上可以进行大坝混凝土变模反馈修正。

监测资料反映，随着坝体浇筑高程的增加，受倒悬影响，坝体逐渐向上游位移；随着蓄水至1710m高程、1760m高程、1800m高程和1840m高程，坝体逐渐向下游变形，中低高程位移大于中高高程部位，目前最大径向变位27mm左右；廊道水准监测资料反映大坝整体呈下沉状态，中间坝段下沉量较大，两边下沉量较小，基本对称分布，两边局部坝段稍有抬升的垂直位移变化趋势。图3和图4分别是初期蓄水阶段大坝径向位移和廊道垂直位移监测曲线图。

图3  13#坝段垂线径向位移实测过程线

图4  大坝1664m高程廊道垂直位移分布图

图5 典型仓温度过程反馈曲线

图5是典型仓反馈温度同实测温度对比曲线，通过调整温度计算参数和条件，使得计算温度过程同实测温度过程吻合，以此为基础，根据监测资料反应的大坝变形性态，通过全过程仿真分析手段对大坝和基础弹模进行了反演。图6是17#坝段某时段1778m高程廊道和13#坝段1601m高程廊道沉降历时曲线对比，图7是典型坝段典型部位的垂线径向位移同计算值对比曲线，可以见计算和实测过程比较吻合，反演得到的变形模量能反映大坝的真实性态。

 

（a）17#坝段1778m廊道                    （b）13#坝段1601m廊道

图6不同坝段廊道水准相对沉降量历时对比图

（a）1730m高程                    （b）1601m廊道

图7 蓄水过程13#坝段监测和计算值对比曲线（垂线径向位移）

4 施工期横缝工作性态分析 4.1 施工期横缝开度监测资料分析

锦屏一级拱坝施工期的监测资料表明，大部分横缝的开度过程与温度相关性很好，早期混凝土升温，横缝处于压紧状态，随着通水冷却坝体内部混凝土温度降低，横缝开度逐渐增大，至灌浆前横缝开度达到最大，横缝开度最大值一般小于3mm，符合一般规律，灌浆后横缝开度基本保持不变。但有些坝段的横缝开度值较大，且存在明显突变，突变时间与接缝灌浆时间接近，有的部位最大横缝开度超过8mm，不符合横缝开度的一般规律。图8是异常缝开度监测数据图。

（a）横缝开度示意图

（b）典型横缝开度过程线

图8 实测横缝开度

此外，测缝计显示，施工期拱坝下部已灌区域横缝出现不同程度的张开现象，封拱后至2012年6月20日，10#横缝在EL1620m～EL1680m张开度较大，张开度达到0.4mm～0.9mm；在其余高程张开度较小，张开度在0.1mm左右。13#横缝在EL1620m以上张开度均较小，张开度小于0.2mm；在 EL1620m以下张开度较大，在EL1585.7m上游张开度达到2.42mm，且存在张开度的突变。16#横缝大部分高程张开度小于0.15mm，个别高程张开度较大达到0.31mm。因此，对这些横缝开度异常现象要分析起产生的原因，分析其危害性，并进一步采取相应的控制措施。

图9 灌浆后张开的横缝开度过程线

4.2施工期横缝开度局部过大问题分析

       针对施工期横缝开度局部过大问题，通过全过程反演仿真分析的方法，在对实际温度场和主要力学参数反演的基础上，按照大坝实际浇筑过程、温控过程、封拱灌浆过程进行了模拟，计算参数考虑了混凝土弹模随时间变化，混凝土徐变，混凝土自生体积变形等因素，分别分析了自重、温度、自生体积变形等因素以及各种因素综合作用下对横缝开度的影响。此外，通过对监测资料的分析，发现开度突变发生的时间与横缝灌浆时间吻合，且发生突变的横缝位置均位于灌浆区以上，高程越高，影响幅度越大，根据时间吻合推测横缝开度突变与横缝灌浆有关；因此，针对灌浆压力大小、灌浆的方式等做了相应的仿真模拟，分析灌浆因素对横缝开度的影响。

       仿真计算结果表明[7]，自重作用对平均缝开度的影响为0.2mm左右；自生体积变形作用下，设计参数条件下横缝开度为0.18～0.53mm，平均值为0.39mm；温度和自生体积变形条件下，横缝开度平均值为1.93mm，最大值为2.9mm。在自重、温度、混凝土自生体积变形等因素综合作用下，计算所得横缝开度的变化规律与监测值相同，早期混凝土升温膨胀，横缝处于压紧状态，随着坝体温度的降低，横缝逐渐张开，在温度最低时达到最大值。在横缝开度有突变的位置，计算值与监测值差别较大，计算值与去除突变后的监测值比较接近。因此，为了分析灌浆的影响，分别针对有无通水平压、灌浆压力大小、压力施加高度等做了敏感性分析，仿真计算结果表明：有通水平压时，灌浆压力对横缝开度影响很小，且影响范围仅限于灌浆高程附近，对灌浆区缝开度的影响小于0.3mm；无通水平压时，灌浆压力影响上部的横缝开度，且随着高度的增加呈增大趋势，9m灌区0.5MPa压力时上部达到1.39mm，施压区越大，横缝开度越大，18m灌区0.5MPa压力时最大值为5.98mm。综合监测资料和仿真分析结果可见，灌浆方式是影响横缝开度的主要原因，在实际施工过程中，应严格按照相关要求进行灌浆操作。

图10 仿真计算同实测和扣除突变值缝开度过程线对比

图11 灌浆对缝开度影响曲线

4.3施工期横缝灌浆后局部张开问题分析

针对灌浆后横缝张开问题，同样是通过全过程反演仿真分析的方法，在对监测资料分析的基础上以及对实际温度场和主要力学参数反演的基础上，按照大坝实际浇筑过程和封拱过程进行仿真分析，重点研究封拱灌浆后横缝增开的原因，从自重、温度等各方面可能影响因素进行定量分析，分析结果表明[8]：

（1）以10#、13#、16#横缝为研究对象，考虑自重和温度综合作用，截止2012年6月20日，计算所得封拱后横缝增开度平均值为0.26mm，监测值为0.19mm，计算值和监测值略有差异，但两者之间的规律基本一致，河床坝段的13#横缝增开度为上游大于下游，边坡坝段的10#、16#横缝增开度为下游大于上游。单独考虑自重作用，横缝增开度平均值为0.2mm，单独考虑温度作用，横缝增开度平均值为0.06mm，封拱后横缝张开自重起主要作用。

（2）对于灌浆后横缝增开度有突变的位置，通过对监测资料的分析表明，上部灌区在突变时刻有接缝灌浆前的压水作业，受其影响，下部已灌横缝开度有突变现象。

图12 13#坝段横缝开度过程线

4.4横缝开度过大和增开问题影响分析

施工过程中横缝开度过大，且在灌浆后还有发展的趋势，为此需研究横缝开度过大对坝体受力的影响。

在封拱灌浆前，封拱高程以上部位是各坝段单独承担荷载，设计时就按照这一工况考虑，并核算悬臂高度，横缝开度过大对此时的应力不会造成影响。封拱灌浆时，横缝开度大有利于灌浆浆液的进入。只要精心设计、精心施工，确保灌浆质量，保证灌浆密实，灌浆浆液硬化后与混凝土本体弹性模量基本相当，灌浆后坝体将成为一个完整的整体，不影响坝体受力。封拱灌浆后，上部自重和灌浆等多种因素作用下，已灌浆横缝开度继续发展，如造成已灌浆横缝拉开，则会产生不利影响。本节通过全过程仿真分析的手段，模拟横缝实际开度以及灌浆后张开的状态，从施工期仿真计算到大坝蓄水，计算结果表明：大坝蓄水后，水压作用下，横缝需先闭合才能拱向承担水推力，顺河向位移和坝踵拉应力均会增加。根据监测资料反映的横缝张开情况，蓄水到1880m搞成后，顺河向位移增长幅度为3.07%；坝体应力分布规律保持不变，坝踵拉应力极值增加约5%，大拉应力范围增加0.2m。

因此在施工过程中应严格按照灌浆技术要求进行操作，尤其是做到“某一高程横缝进行灌浆时，同一高程相邻未灌浆横缝应进行通水平压[13]”。同时为了减小自重对缝张开的影响应及时采取上游充水等措施。

5 施工期大坝整体倒悬与控制

倒悬是双曲拱坝的主要特征之一，施工过程中，倒悬对坝体的应力、变形是有一定影响的，控制不好会带来与设计正常荷载相反的应力状态, 以至对坝体结构产生不利影响。锦屏一级拱坝坝高超过300m，施工期面临的倒悬问题更突出，尤其是上游面的倒悬，控制不好容易在下游面出现较大拉应力，甚至出现裂缝；此外倒悬作用带来的向上游的变形可能会带来局部区域横缝的拉开，因此需要研究锦屏一级拱坝施工期的倒悬问题，并提出相应的措施。

为了研究倒悬状态大坝的工作性态，按照现有规范要求，采用全过程仿真分析方法，建立大坝整体模型，考虑自重、水压和温度荷载影响，并运用有限元等效应力方法对施工期可能出现的各种倒悬工况进行计算，按照相应的应力控制标准进行评估。主要研究空库状态下以及各种充水条件下大坝不同时期的应力状态。

仿真计算结果表明：锦屏一级拱坝在空库自重作用下，在下游面建基面附近会产生一定范围的拉应力，由于坝体倒悬有向河床倾斜的趋势以及有向上游倾斜的趋势，下游的第一主应力要大于上游，主拉应力方向为与建基面成锐角，说明第一主应力由沿陡坡建基面的高剪应力和整体倒悬引起的下游拉应力联合作用产生。该部位较大的拉应力可能导致建基面脱开，或者在附近部位产生裂缝，需要予以关注。以2012年5月的形象空库状态为例，等效后上游面拉应力1.1MPa，不超标，但下游面拉应力达2.1MPa，超标面积约20m2，深度约12m。考虑上游充水方案后，以上游充水到1660m高程为例，下游面最大拉应力减小到1.8MPa，此外上游充水压缝作用很小，可以忽略。因此适当蓄水对减小下游面建基面附近的拉应力有利。

 

图13倒悬作用产生的下游面拉应力云图及其矢量图

 

（a）空库状态                     （b）上游充水至1660m高程

图14 下游面等效应力

因此，为减少大坝整体倒悬的不利影响，应避免高坝空库状态。可以采取选择适当时机上游面充水，考虑到河水温低于气温，充水时机应避开低温季节。锦屏一级拱坝施工过程中采取了夏季上游适当充水的方案，保障了大坝施工质量和施工期安全。

6 初次蓄水阶段大坝工作性态研究

锦屏一级水电站自2012年11月导流洞下闸开始蓄水，计划2014年9月蓄水到正常蓄水位1880m，根据工程施工进度安排，蓄水早期大坝浇筑仍在继续，接缝灌浆也没有完成，尤其是2013年10月导流底孔下闸后，水库从1800m水位蓄水至1840m高水位时，大坝接缝灌浆高程为1859m左右，大坝还有26m未进行接缝灌浆，为使大坝上部拱圈灌浆能尽量避免高水位压缝对横缝灌浆带来的不利影响，需根据水库水位情况及工程进度安排，研究横缝封拱灌浆的最佳时机。

在初期蓄水阶段大坝未完建，各项设计参数可能会随加载历史和加载路径而变化，大坝自身强度与周围实际边界的相容性与设计预想规律不完全一致；且根据大坝事故统计资料表明，几乎有60%左右的大坝事故是发生在初期蓄水或初期运行阶段。因此，初期蓄水过程中根据各个阶段的监测资料，对大坝的工作性态进行跟踪反演仿真分析，及时掌握大坝的当前运行安全状态，并对下一步安全状态进行预测，为制定安全运行监控标准和水库调度运行方式提供决策依据。

6.1 初期蓄水压缝问题分析

初期蓄水时上部高程封拱灌浆尚未完成，水压会对上部不同高程未灌浆横缝产生压缝效应。仿真模拟蓄水过程，参考实际的横缝监测值，预测蓄水和封拱方案对大坝灌浆的影响。

仿真计算结果表明[9]，同一位置的总体横缝开度，随水位的上升呈逐步压紧状态，蓄水水位越高，压缝越厉害。拱冠梁附近下游侧缝开度在水位较低的情况下略呈张开趋势。靠近河床部位的横缝开度变化规律为：同一高程上游侧压缝最厉害，上游侧到下游侧压缝值逐步减小。靠近两岸部位的横缝开度变化规律为：同一高程下游侧压缝最厉害，上游侧到下游侧压缝值逐步增大。

根据现有的施工进度和蓄水进度，水位在1800m高程以下时，总体压缝值不大，平均压缝值都小于1mm；水位由1800m升高到1840m高程时，平均压缝值可达1.35mm，按照通过监测资料统计的当前平均缝开度1.83mm计算，剩余平均缝开度0.48mm。水位达到1840m高程时，小范围横缝部位压缝较大，超过2mm，主要集中在1859m高程以上部位，因此初次蓄水到1840m高程时，可能会对这些部位的封拱灌浆产生影响。

若考虑一直到2012年2月底降低水位至1800m后，再在3～5月进行封拱灌浆，总体压缝值同蓄水到1840m高程时有较大幅度改善，同第一次蓄水到1800m高程时压缝情况接近，最大压缝值普遍小于1mm。因此可以考虑水位降下来后，根据实际监测的缝开度情况择机封拱。目前工程中也是借鉴了本研究方案成果。

6.2 大坝当前工作性态分析

有限元计算结果表明，蓄水过程中，随着水位的升高，坝体顺河向变位呈向下游增加趋势；同时随着水头增加，变位增量相应变大，大坝低高程增量较小，高程越高即坝体中上部点，随水位增加变位增量越明显；左右岸变形基本对称，由于考虑了坝体的分步浇筑过程，同时浇筑过程中按照正常蓄水时间施加水压荷载，因此坝体变形等值线有阶梯状分布。切向变形上，坝体左右岸分别指向相应岸边方向，左右岸变形基本对称。其它时间点整体变形规律与此水位相同，但随时间变化和水位升降，变形值有所差别。

垂向应力基本全为压应力，最大压应力值出现在河床坝段底部，压应力自下而上逐渐减少，且随水位升高上游面压应力呈减少趋势，下游面压应力程增大趋势。上游面除建基面局部应力集中点外，拱向应力均为压应力，应力大小由周边向中部逐渐增大，压应力最大值出现在拱冠梁中部高程，最大压应力值随着水位升高而增大；当水位分别为1810m、1820m、1830m和1840m时，最大坝踵应力（梁向）为分别为8.5MPa、8.2MP、7.9MPa和7.2MPa，当前坝踵压实测最大压应力为6.66MPa，出现在12#坝段，仿真计算结果同实测略有差别[12]，但总体基本反映了坝踵的实际应力规律。

 

（a）拱向                                （b）梁向

图15 大坝当前应力计算值云图（1839m水位）

图16  拱坝坝踵垂直应力分布示意图（2013年11月20日）

大坝总体变形和应力规律表1和图15所示，总体位移量值与监测值比较吻合，坝体应力符合一般规律，除个别应力集中点超出拉应力较大外，拉压应力均小于混凝土拉压强度。综上所述，反演跟踪计算分析结果表明，拱坝当前工作性态总体正常。

表1 计算变形值同监测值对比表

高程(m)	监测仪器	水位1800m～1839m 径向变形增量(mm)		当前径向变形(mm) 截至2012年11月20日
		计算值	监测值	计算值	监测值
1778	PL9-3	12.03	9.40	19.97	17.25
1730	PL9-4	7.23	6.38	15.76	15.96
1664	PL9-5	1.41	2.34	5.31	7.99
1778	PL11-3	15.99	13.94	27.42	25.16
1730	PL11-4	11.88	11.43	25.30	28.47
1664	PL11-5	4.84	6.13	14.50	19.06
1778	PL13-3	16.65	14.08	29.24	22.43
1730	PL13-4	13.73	12.16	28.63	26.53
1664	PL13-5	7.64	7.42	19.18	23.22
1778	PL16-3	11.35	9.95	22.09	19.68
1730	PL16-4	9.72	9.05	22.95	24.01
1664	PL16-5	5.23	6.13	16.20	22.01
1778	PL19-3	4.36	5.39	9.69	10.62
1730	PL19-4	2.77	4.50	9.25	12.75
1664	PL19-5	0.93	2.42	5.89	8.93

7 结论

       本文对全坝全过程仿真分析方法关键技术进行了讨论，从真实荷载的模拟、横缝的真实性态模拟、后期发热绝热温升模型、方程组求解的高效并行算法等方面介绍了全坝全过程仿真分析平台-SapTis。以Saptis为基本工具，采用仿真分析的手段，对锦屏一级特高拱坝施工期的真实工作性态进行了反演仿真分析。（1）根据实测竖直和径向位移对基础及坝体混凝土力学参数进行了反演分析，进而对大坝的整体进行了全过程仿真模拟；（2）对施工期横缝局部开度过大问题、横缝开度突变问题以及灌浆后横缝局部张开问题进行了模拟分析，研究了这些问题出现的原因、影响及改进措施；（3）对拱坝的施工期整体倒悬及其引起的拉应力超标和可能的裂缝问题进行了细致的分析和研究，提出了提前充水减小倒悬的建议措施；（4）研究了初次蓄水压缝问题，提出了避免影响上部封拱灌浆质量的水位调度方案；（5）对大坝蓄水过程的真实工作性态进行了全过程跟踪反演仿真分析，以监测资料为依据指导仿真，对今后的性态进行准确预测，提出了保证大坝安全的建议方案。

全过程跟踪反演与仿真分析研究及其应用结果表明，仿真反演分析手段可以把握大坝施工及蓄水期全过程的真实工作性态，为施工及初次蓄水期的大坝安全提供保障，提出的技术措施和控制手段已在施工过程中采用，取得良好效果，保障了大坝的施工质量和施工、运行安全，同时为300m级特高拱坝的高质量施工开创了一种新的技术支撑模式。

大坝施工期及初次蓄水期的工作性态包含的内容很多，限于篇幅本文只介绍了上述几个方面，还有如温度回升、坝踵应力、上倾变形、时效变形、初期渗流场影响等都已做过初步研究，将在后续论文中陆续介绍。

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