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水 利 学 报

2022 年 4 月 SHUILI XUEBAO 第 53 卷 第 4 期

文章编号：0559-9350（2022）04-0392-11

重力坝加高的应力和稳定计算方法及控制标准研究

张国新 ，钮新强 ，雒翔宇 ，颜天佑 2
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（1. 流域水循环模拟与调控国家重点实验室 中国水利水电科学研究院，北京 100038；
2. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010）

摘要：后帮式重力坝加高存在新老混凝土结合面和新老坝块分载的问题，结合面有限结合部分传力时传统的材料
力学法和整体刚体极限平衡法不再适用于应力和稳定计算。本文介绍了重力坝加高模拟的有限单元法，提出了新
老坝块应力和稳定计算的有限元等效法，以丹江口 7 坝段为例进行了不同结合面状态的多工况计算，与弹塑性有
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限元强度折减法进行了比较。结果表明：（1）有限元等效内力法可以考虑结合面脱开、新老坝块材料差异、基础
非均质性等复杂条件，同时可消除坝踵、新老混凝土结合处的应力集中，具有有限单元法和材料力学法两者的优
势，其等效内力计算可通过应力积分法和直接反力法实现，直接反力法得到的等效内力精度更高；（2）采用有限
元等效法计算坝基应力和整体及新老坝块局部稳定安全系数时，应力和稳定的控制标准应满足现行规范要求；
（3）新老混凝土界面有限结合部分传力时，应力不利工况是贴坡段下部张开，而稳定不利工况是结合面上部张
开、下部粘结；（4）丹江口 7 坝段斜坡段中下部粘结面积 20%以上时应力和温度均满足规范要求，该结论与“后帮
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有限结合”理论一致；（5）弹塑性有限元法是分析重力坝加高的有效方法，当采用与材料力学及刚体极限平衡法相
同的计算模型及屈服准则时，可以得到相同的结果，可采用相同的控制标准，但当采用不同模型及准则时控制标
准需要另行研究。
关键词：后帮式；重力坝加高；有限元等效法；新老混凝土结合
中图分类号：TV314 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20211049

1 研究背景

大坝加高是已建水库扩容增效的主要手段 ［1-3］ ，许多国家将大坝加高作为一种经济实用的水利工
程再开发方式。文献［2］统计了截止 2006 年国外已建在建 10 m 以上大坝加高工程 91 座，涉及到 22 个
国家，其中加高工程较多的是美国、日本和西班牙，代表性工程有美国的罗斯福（Rooseuelt Dam）大
坝（83.5 m/23.5 m：原坝高/加高），委内瑞拉的古里（Guri Dam）大坝（110 m/52 m），日本的黑部（Ku⁃
robe Dam）重力拱坝（120 m/68 m）。美国 2013 年完成的圣文森特大坝（ San Vicent Dam）加高工程，将
［4］
原高 67 m 的重力坝加高 36 m 至 103 m，是美国加高幅度最大，且用 RCC 施工的重力坝加高工程 。
我国大坝加高始自 1950 年代 ［3，5］ ，以土石坝为主，文献［5］介绍的 33 座大坝加高工程中 22 座为土石
坝，11 座为浆砌石坝或混凝土重力坝，其中丹江口大坝加高（97.0 m/14.6 m）是我国乃至世界上规模
最大的大坝加高工程 ［1，6］ 。位于杭州的里畈重力坝加高一期将坝高从 50 m 加高至 72 m，计划进一步加
高 35 m 至 107 m，目前正在进行大坝加高设计。
“后帮式”是重力坝加高的主要形式 ［4-8］ ，即在坝顶加高的同时，在老坝体的下游浇筑贴坡混凝
土，加大坝体的断面厚度，提高大坝抗滑稳定性，以抵抗新增水压力。由于这种加高方式可不用放

收稿日期：2021-11-27；网络首发时间：2022-04-01
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220329.1543.001.html
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基金项目：中国水利水电科学研究院人才托举项目（SS110145B0052021）
作者简介：张国新（1960-），教授级高级工程师，主要从事混凝土坝仿真分析研究。E-mail：zhanggx@iwhr.com
通讯作者：钮新强（1962-），中国工程院院士，教授级高级工程师，主要从事水工结构研究。E-mail：niuxinqiang@cjwsjy.com.cn
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