成果名称：高拱坝设计分析理论与应用研究
申请单位：河海大学
成果编号：鉴字[教NF2007]第012号
鉴定日期：2007 年 7 月 14 日
学 科：土建水
成果简介：
针对西部重大水利水电工程如小湾、溪洛渡、锦屏、白鹤滩等300米级特高拱坝建设过程中的关键技术问题,在2个国家自然科学基金重点项目、4个面上项目和多个国家科技攻关子项目和国家电力公司重点科技项目的支持下，着重进行高拱坝的设计分析理论与应用研究。主要创新成果如下：
1 坝体混凝土和坝基岩体材料的破坏机理
(1)提出全级配三维骨料任意形状的数值模拟方法，并编制了三维混凝土任意形状骨料投放软件3D-RAS，从而使模拟的随机骨料更接近实际，且投放的骨料含量高。
(2)首次采用界面元方法，对所建立的 二维及三维“数字混凝土”细观力学模型，进行混凝土各类破坏的数值试验，揭示了混凝土宏观力学性能的细观机制。
(3)采用混凝土细观数值模型和基于能量等效的均匀化方法估算混凝土的宏观有效模量；构建了一个连续光滑的幂指函数用来表征混凝土的非线性本构关系。
2 高拱坝数值模拟的新理论与新方法
(1)提出常应变块体单元法；建立了块体元与有限元混合分析的模型，充分发挥各自的长处；将Bingham流变本构模型引入块体单元法，以反映岩体的流变特性。
(2)提出加锚岩体和预应力锚索的界面元模型；建立分区界面元—有限元混合模型以及界面元—有限元—无限元混合模型，能够和谐解决计算精度和计算效率的矛盾。
(3)提出一个能模拟诸如裂纹、节理等非连续性结构的新技术——非连续有限元法。
3 混凝土坝开裂和限裂
(1)发现钢纤维混凝土不仅具有后期抗拉强度高、韧性大的力学特性，而且有良好的导热性，可以减小早期混凝土内部的温度梯度，降低表面应力。从提高抗力和减小作用两个方面来防止混凝土表面的开裂。
(2)首次提出基于Biot理论的掺MgO微膨胀混凝土温度有效应力解法，提出“要掺一起掺，掺量应协调”的施工原则。以保证上下层新老混凝土之间MgO膨胀的协调性。
(3)提出一种新的模拟结构缝或接触问题的三维非线性接触单元，并在国内外率先对有缝高拱坝的破坏机理和安全度进行了研究。
4 高拱坝及坝基岩体稳定性理论与分析方法
(1)提出基于优化理论的刚体极限破坏方法，首次采用优化的方法确定相邻岩块之间错动面的方向和错动面上剪力的方向，用于拱坝坝肩岩体的稳定分析。
(2)首次采用理论分析、数值模拟和室内模型试验相结合的方法，系统和定量地研究了拱坝沿建基面的破坏机制和稳定性问题，对拱坝沿建基面发生破坏的影响因素进行排序；给出拱坝沿建基面破坏的合理分析方法和破坏判据。
5 高拱坝体形优化设计新方法
(1)建立以坝体体积、坝体最大主拉应力、坝体应变能作为目标函数的拱坝体型三目标优化设计模型，提出基于博弈论的拱坝多目标优化解法。
(2)提出以结构能量为目标函数、静动力荷载作用下高拱坝体型多目标优化的数学模型。采用模糊集理论构造评价函数，既能保证各分目标函数具有较好满意度，又能保证获得较好的整体满意度。
(3)建立一种以结构能量为性能指标、以应力响应约束为目标集的结构形式最优控制模型，并提出相应数值求解方法。
