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水 利 学 报

２０２３年 ４月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ４期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０４ － ０３８１ － １１

重力坝计算与实测坝踵应力差异中扬压力作用研究

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张国新 １，２ ，程 恒 ，耿 峻 ，周秋景 ，张海龙 ，丁 宇 ３
（１．中国水利水电科学研究院，北京 １０００３８；２．流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
３．中国长江三峡集团有限公司 流域枢纽运行管理中心，湖北 宜昌 ４４３１３４）
摘要：坝踵应力是评价重力坝安全的重要指标，按无拉应力准则设计的重力坝采用有限单元法分析时往往出现较
大的拉应力，但实际工程中未见观测到拉应力的报道，有的甚至出现较大压应力，同时实测应力变幅往往远小于
计算值。本文统计了国内外 ２４座重力坝观测结果，分析了坝踵应力蓄水前后变化特点，以一典型重力坝断面为
例，采用材料力学法和有限元法对坝踵应力进行计算，对比分析了理论坝踵和实测坝踵应力变化规律，重点研究
了扬压力对两个坝踵点应力贡献作用，揭示了计算和观测坝踵应力差异的原因之一。结果表明：理论上的坝踵应
力是坝踵基岩一侧计入扬压力作用的有效应力，实测坝踵应力则是距基础一定距离、坝体混凝土内部的总应力，
两者存在一个与扬压力接近的应力差；按无拉应力准则设计的重力坝，坝内测点不会出现拉应力，最小压应力为
０．５～１．０倍的上游水头；实测坝踵的有效应力取决于渗流场和孔隙水压力系数（Ｂ系数），该点渗透压力变幅小于
上游水头且存在滞后，致使应力变幅明显小于理论坝踵应力变幅；扬压力在理论坝踵和实测坝踵的作用差异是实
测与计算坝踵应力差异显著的重要原因之一。
关键词：重力坝；扬压力；坝踵；渗流场；应力
中图分类号：ＴＶ３１１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０５８１
文献标识码：Ａ
１ 研究背景

限制坝体拉应力是重力坝设计的基本原则之一。早在 １９世纪末，法国的李维（ＭａｕｒｉｃｅＬｅｖｙ）在分
析 Ｂｏｃｃｚｔｙ坝的失事原因后提出了著名的李维准则 ［１］ ，即：坝体上游面的竖向正应力应保持为压应力，
其数值不能小于该点的库水压力。但该准则并没有被各国设计规范采用。我国混凝土重力坝设计规范
规定，采用材料力学法按悬臂梁计算坝体应力时，在各种荷载组合下坝踵竖向应力不应出现拉应力，
采用有限元法计入扬压力时拉应力区宽度应小于坝底宽度的 ０．０７倍 ［２］ 。美国、日本等国的规范也采用
无拉应力准则 ［３ － ４］ 。
实际设计分析中，按照无拉应力准则设计的重力坝坝踵是最容易出现拉应力甚至拉裂的部位，尤
其在采用有限单元法计算时。赵代深等 ［５］ 、杨强等 ［６］ 、杨清平等 ［７］ 以及 Ｇ．Ｎ．Ｔａｎｄｏｎ等 ［８］ 对坝踵应力
的分布规律、影响因素及控制标准等进行了研究；于骁中 ［９］ 、周家骢等 ［１０］ 、王修信等 ［１１］ 和 张楚汉
等 ［１２］ 用不同的数值分析方法研究了坝踵的开裂过程及扩展稳定性；厉易生等 ［１３］ 提出了通过设置坝踵
隔离块改善坝踵应力集中、避免坝踵开裂的方法。针对坝踵拉裂问题，有多位学者研究过上游坝面水
力劈裂问题 ［１４ － １７］ ，当坝踵部位出现裂缝且有压水进入时会出现水力劈裂，贾金生等 ［１５］ 认为对于 ２００ｍ
以上的特高重力坝如仍采用无拉应力准则设计存在一定的安全隐患，建议应考虑水力劈裂的影响，在
上游面附近预留一定的压应力储备。所有这些研究都有一个共同的认识，即重力坝坝踵存在拉应力集

收稿日期：２０２２ － ０７ － ２５；网络首发日期：２０２３ － ０３ － ０１
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２２８．１１０３．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划项目（２０２１ＹＦＣ３０９０１０２）；中国长江三峡集团有限公司科研项目（ＳＸＳＮ?４９８３）
作者简介：张国新（１９６０ － ），教授级高级工程师，主要从事水工结构研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｇｘ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
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