第1章　绪论

1.1　研究对象及研究意义

高混凝土坝结构安全分析与优化以“九五”国家重点科技攻关项目子题《高碾压混凝土重力坝应力计算方法和极限承载能力研究》、国家自然科学基金重点项目《碾压混凝土高重力坝的静、动力安全度分析》、国家自然科学基金项目《基于自组织演化理论的重力坝坝基深层抗滑稳定理论研究》、国家自然科学基金项目《基于稳定临界准则的重力坝抗滑稳定审查方法及控制标准》、国家教委优秀年青教师基金项目《碾压混凝土重力坝安全可靠度理论及设计方法研究》、教育部骨干教师基金项目《基于随机场描述的碾压混凝土坝失效模式和可靠度分析》、湖北省自然科学基金项目《基于全有限元静、动力的拱坝体形多目标优化研究》、“混凝土重力坝设计规范（DL 5099）”专题修编课题《混凝土重力坝抗滑稳定机理和深层抗滑稳定设计表达式及分项系数专题研究》、中国水电顾问集团科技攻关项目课题《非线性有限元法的重力坝深层抗滑稳定和基础处理研究》，以及重点工程科研专题项目《向家坝水电站大坝深浅层抗滑稳定分析及加固方案研究》、《金安桥水电站重力坝坝基深浅层抗滑稳定及加固方案研究》、《小湾高拱坝施工期温度仿真及横缝开合度三维有限元仿真研究》、《乌江构皮滩水电站双曲拱坝大坝温度应力仿真分析》、《大岗山水电站双曲拱坝徐变温度应力仿真分析》、《金安桥水电站碾压混凝土重力坝温度及应力仿真分析》、《乌江彭水碾压混凝土重力坝温度仿真分析研究》等50余项科研项目为背景，通过开展高混凝土坝的弹塑性有限元应力计算方法，高坝及坝基的渐进破坏过程、破坏机理、失稳准则和极限承载能力，高混凝土坝的强度和稳定审查方法及与之相配套的设计安全系数标准，高混凝土坝分期施工和蓄水过程仿真分析方法，复杂坝基综合加固处理工程措施及其设计优化，高混凝土坝可靠度理论与设计方法，岩石、混凝土类材料力学参数分析的随机—临界理论和方法，高混凝土坝施工期至运行期全过程温度场、温度应力场仿真分析及温控措施，高混凝土坝坝体体形优化方法等理论研究，模拟高混凝土坝在复杂条件下的结构应力变形演化规律，建立高混凝土坝结构安全与优化的理论模型，构建高混凝土坝结构安全与优化的分析方法，结合向家坝、金安桥、小湾、构皮滩、大岗山等大型水电工程，提出一套符合实际的高混凝土坝结构安全分析理论与方法体系、坝基稳定评价方法和标准、高混凝土坝施工期至运行期全过程温控仿真平台、高混凝土坝体形优化方法及程序。

本书中的“高混凝土坝”包括三重意义：一是指坝高为200米级及以上的混凝土重力坝和拱坝；高混凝土坝在设计理念、施工技术和科学问题等方面与100米级的混凝土坝会发生质的差别。二是指由于坝高的增加随之带来的一系列结构分析方法的变革。对于低坝常用的稳定分析方法如刚体极限平衡法不足以完全揭示高混凝土坝基的变形过程和失稳机理，而对于低坝常用的应力分析方法如材料力学法和拱梁分载法也不足以揭示高混凝土坝体和坝基的非线性变形过程和开裂机理，虽然在目前的高混凝土重力坝和高拱坝的设计过程中都不同程度地采用了先进的数值分析方法如有限元法进行坝体坝基的稳定和应力变形仿真分析，但是现行的设计规范却并没有提供与之配套的相应控制标准。三是指200米级及以上的高混凝土坝在建设安全风险、结构安全评价准则等方面与低坝有较大的区别。

本书中的“结构安全”是指高混凝土坝运行期内的结构稳定安全和施工期至运行期全过程的温控防裂安全，“结构优化”是指高混凝土坝在复杂条件下的体形优化和复杂坝基加固处理优化。

高混凝土坝结构安全与优化理论一直是坝工界的研究热点问题。随着我国西部大开发政策的启动，龙滩、小湾、溪洛渡、向家坝、锦屏一级、构皮滩、金安桥、大岗山等一批大型、特大型水电站当时已开工兴建或即将开工。这些工程中的高坝岩基稳定、大体积混凝土温度控制、结构体形优化等问题复杂。例如，向家坝水电站最大坝高162m，坝基岩体中发育缓倾下游的软弱岩层、夹层和岩层层面，构成明确的坝基潜在滑移面，不利于大坝抗滑稳定，需要对坝基可利用岩体、抗滑稳定边界条件及力学参数作进一步的分析复核，考虑施工条件和处理效果，进一步研究坝基处理设计方案，需要用更先进、更精确的方法进行大坝和坝基结构安全分析评价。小湾水电站坝高294.5m，建成后将成为目前世界上高度第二的拱坝，坝体混凝土最高强度等级C18045，不设纵缝，通仓浇筑面积近1900m2，最大底宽达70m，增大了因浇筑机械能力产生施工冷缝的几率，加大了温控难度，且拱坝建成投入运行后没有条件进行坝体大面积检修，对混凝土抗裂要求高。目前世界上最高的锦屏一级高拱坝（305m）也存在同样的温控难题。以龙滩为代表的高碾压混凝土重力坝和以小湾为代表的高拱坝，坝体的材料分区较多，其体形优化问题直接关系到大坝的稳定和工程投资成本，提出一个满足安全、经济的最优体形方案具有重大的工程实用价值。

要解决这些重大工程问题，必须在基础理论上有所突破，在关键技术上有所创新。本书正是瞄准了这方面的理论发展要求和这些重大工程的应用需要，经过课题组二十多年系统科学研究的逐步积累，在反复凝练的基础上形成的系列研究成果。

本书试图在理论意义上和广泛的应用层面上都能够起到借鉴和参考作用。首先，有助于从变形的观点加深对高混凝土坝的失稳机制及渐进变形演化规律的认识，从而丰富了高混凝土坝的安全稳定分析理论和方法；其次，基于大体积混凝土温度控制、开裂过程的研究帮助工程人员从理论上加深对大体积混凝土设计、施工措施优化等方面的认识，并为大体积混凝土施工采取合理的控制措施提供理论依据和有效设计分析平台；再次，基于全有限元法和序列二次规划法（SQP）的多目标体形优化方法增强了对大坝体形的优选能力。本书所形成的高混凝土坝结构安全及优化理论成果体系可以丰富高混凝土坝结构安全与优化方面的学术思想，提高理论研究水平，促进设计理论与分析方法的发展和完善，解决基础研究中的一些关键技术问题，同时在我国西南地区大型水电工程建设中也将发挥重要的作用，具有广阔的工程应用前景。