考虑坝-基-库水相互作用的拱坝底缝开裂模拟

针对拱坝裂纹扩展问题,以某拱坝为例,建立了大坝-地基-库水系统的三维有限元模型.在此基础上,基于全耦合的拱坝-地基-库水模型,利用扩展有限元法(extended finite element methods,XFEM)对地震作用下的底缝开裂进行了模拟分析.研究中,在坝体上游底部设置了不同位置的人工短缝,以探讨拱坝在强震条件下的底缝开裂响应.结果表明:横缝削弱了坝体的整体性,增大了坝体的位移响应,但增设横缝可有效减小坝体的应力响应;在坝体底部设置人工短缝显著降低了坝踵的应力响应;拱坝的横缝对底缝开裂影响显著,能限制底缝的横向扩展,减少坝体的开裂损伤.

拱坝坝身泄洪孔道脉动压力分布规律及其振动特征

【目的】高拱坝坝身泄洪安全研究涉及泄洪孔道设计、结构强度、泄洪过程中的水流压力分布和流态特性等方面。【方法】以某坝高为270 m拱坝为研究对象,利用计算流体力学模拟坝身泄洪孔道流场并分析其脉动压力分布特征,利用流体/结构耦合有限元模拟最不利工况压力脉动与坝体结构振动特征,解析泄流激励下高拱坝坝身振动机理。【结果】研究结果表明,拱坝坝身泄洪孔道内脉动压力变化极为复杂,其中表孔脉动压力最大值为133.25 kPa,最小值为29.48 kPa;中孔脉动压力最大值为5274.99 kPa,最小值为953.24 kPa.拱坝坝身泄洪孔道脉动压力在频域的能量分布均具有低频的特征,主能量分布在0~10 Hz的频率范围内。在泄流激励条件下,拱坝坝身总位移随脉动压力变化呈现一定周期性,且随周期总位移逐渐衰减,总位移值与脉动压力在同周期内先增大后减小,总位移值在1.2 s增大至最大值0.2120 cm,对应泄洪孔道脉动压力增大至极大值;拱坝坝身等效应力和等效应变的变化规律基本一致,1.2 s时等效应力和等效应变极大值分别为1426.60 kPa、7.49×10^(-5),且同周期内脉动压力呈现同样的变化趋势,拱坝坝身等效应力和等效应变与脉动压力变化具有完全的相关性。

基于温度应力仿真的仙洞沟堆石混凝土坝分缝技术研究

堆石混凝土重力坝是否分横缝及分缝间距对大坝温度应力影响很大,在相同环境下,坝体不分缝或横缝间距越大,温度应力越大,大坝开裂风险也越高;但不分缝或长距离分缝,可有效简化施工工序,实现快速连续施工,能充分体现该坝型优势。该研究针对仙洞沟水库工程实际,对堆石混凝土大坝整体不分缝和超出规范规定的长距离坝段分缝方案进行研究,基于不同的温控措施进行温度应力三维仿真分析,在最终确定大坝的分缝和温控方案的同时,进行有益探索,推动了堆石混凝土筑坝技术的发展。

三河口碾压混凝土高拱坝非线性超载安全度分析研究

三河口拱坝为国内已建的第二高碾压混凝土拱坝,其结构复杂,综合难度大。通过仿真计算分析非线性超载情况下三河口高拱坝安全度,进行综合技术评判,初步给出拱坝的安全度,与类似高拱坝工程进行对比分析,明确坝体应力状态及发展趋势,提出坝肩岩体的相对薄弱部位,并建议进行相应工程加固处理处理,保证拱坝结构安全运行,为类似工程设计提供非常有益参考。

基于参数随机反演的拱坝位移监控指标拟定方法

针对传统混凝土拱坝位移监控指标拟定中未考虑大坝材料参数不确定性的问题,结合贝叶斯推断理论、粒子群优化和长短时记忆网络提出一种基于随机反分析结果的拱坝位移监控指标拟定方法。利用粒子群方法优化长短时记忆神经网络作为代理模型;基于不同监测点实测位移值和代理模型计算位移值建立联合似然函数;在已知材料参数先验分布下,通过贝叶斯推断获得材料参数的后验分布;利用材料参数的后验分布计算监控指标的水压分量,结合实测位移数据确定混凝土拱坝位移监控指标。工程实例分析表明:通过贝叶斯推断方法,可以反演得到准确的材料参数后验结果;以混合法确定的位移监控指标充分利用了材料参数的随机反分析结果,具有更好的预警效果。

基于深度蒙特卡洛树搜索的拱坝仓面排序研究

合理的仓面排序方案对于加快工程进度和优化资源配置有着重要影响。然而,现有仓面排序方法将这一序贯决策问题简化,多数采用多属性决策方法,存在仅对大坝实时施工状态进行分析以及未考虑未来仓面浇筑方案对当前排序策略影响的问题;部分采用多目标优化方法进行仓面排序多目标优化问题分析,但主要是采用静态权重,存在忽略了仓面排序策略随环境动态变化的不足。针对以上问题,本文提出基于深度蒙特卡洛树搜索的拱坝仓面排序方法。首先,分析仓面排序问题的约束条件和目标函数,建立仓面排序强化学习模型;其次,针对仓面排序强化学习模型具有复杂且庞大的离散状态空间,为提高搜索效率,提出融合深度学习的蒙特卡洛树搜索方法,分别利用深度神经网络进行先验动作概率分布预测和策略函数评估;最后,以乌东德拱坝工程为例进行研究,结果表明本文方法可以有效地分析拱坝仓面排序问题,且相比于粒子群方法、证据理论方法,本文方法分析的施工工期可分别提前6天、14天,平均机械利用率分别提高1.19%、1.35%。本研究为拱坝仓面排序分析与优化提供了新思路。

结合Mask R-CNN和SAM获取堆石混凝土坝堆石级配曲线

堆石混凝土坝施工过程质量控制的关键是浇筑密实度,其不仅决定于自密实混凝土工作性能,也与堆石体中的空隙性质密切相关。快速获取堆石粒径级配可以保障浇筑质量的同时,有利于进一步降低成本。现场的堆石数量巨大,依靠手工测量块石粒度不切实际,依靠图像识别技术快速获取堆石粒径是可行的办法。利用MaskR-CNN算法和大模型Segment Anything算法,设计了一套完整的、可操作的获取现场堆石粒径级配曲线的方法。该级配计算方法利用了MaskR-CNN算法和Segment Anything算法各自的优势,提高了堆石料粒径识别结果的准确性,拓展了堆石粒径识别的应用场景。将该方法应用于某堆石混凝土拱坝施工现场,取得了良好效果。

基于因果机理和邻近影响的拱坝温度场监测数据缺值插补

利用实测温度场是提高拱坝变形监控模型性能的重要途径之一,但由于监测系统异常等原因,部分温度测点的监测数据存在缺值。为此,根据缺值段在温度时间序列中所处位置及其相对变化幅值制定判断准则,优选单测点缺值插补方法,基于动态时间规整法量化时间序列之间的相似性,构建拱坝温度场缺值插补的多测点分层标准和同层优先级准则,建立兼顾因果机理和邻近影响的插补预测模型。通过对某高拱坝的实施结果表明,所提出的方法和准则可有效实现拱坝温度场全部测点温度时间序列的系统性插补,将因果机理和邻近影响相结合的插补预测模型对84.0%以上的测点具有提升作用。

东庄拱坝基础加固措施效果分析

拱坝基础加固是保证坝肩稳定和拱坝安全的重要工程措施,以东庄拱坝坝基加固措施为研究对象,系统模拟坝肩岩体中断层、夹泥裂隙、宽大裂隙和相应的加固措施,采用弹塑性本构对其坝基加固效果进行了有限元分析。计算结果表明:基础加固措施对坝体位移和应力的最大值影响很小,但在一定程度上使坝体以及建基面的屈服区减小,改善了坝体受力;基础加固措施对拱坝坝体的塑性区影响不大,但是基础加固后建基面屈服区明显减小,基础加固措施明显改善了坝基的受力状态,基础加固措施对于断层f5和夹泥裂隙Rnj3的屈服区体积影响相对较小,对于宽大裂隙L22的屈服区体积影响较为显著。东庄拱坝基础加固措施改善了坝体和坝基受力、提高了坝基的稳定性。

两层泄洪孔口对特高拱坝抗震性能影响研究

我国强震区200 m以上的特高拱坝,在动力响应较为显著的中上部坝体通常布置多层泄洪孔口,有必要就孔口及闸墩结构对拱坝抗震性能的影响进行研究。以金沙江上游旭龙特高拱坝为研究对象,对坝体布置泄洪孔口与不设泄洪孔口两种方案,考虑混凝土的动力损伤效应,从拱坝整体应力及变形、坝体损伤、拱坝极限承载力等方面进行对比分析。研究结果表明,坝身泄洪孔口结构对大坝整体的刚度、强度影响较小,合理的泄洪孔口布置对于拱坝主坝体的抗震安全性能影响有限;但由于闸墩的悬挑、截面变化以及孔口对坝身的削弱作用,闸墩根部与坝体交界处、上游闸墩大梁连接处等位置在强震过程中更容易出现损伤,需开展抗震设计;对于表、中两层泄洪孔口布置拱坝而言,两层孔口之间的坝体部位也是抗震安全的薄弱环节,需采取针对性抗震措施以增强抵御地震破坏的能力。

大型高拱坝嵌深对坝肩块体稳定性的影响分析

结合古学拱坝坝肩不同嵌深设计方案,利用刚体和有限元极限平衡法,对坝肩块体进行稳定性分析,研究了高拱坝嵌深变化对坝肩块体稳定性的影响规律。结果表明,拱坝嵌深的增加会产生块体体积、滑面面积减小和拱推力增加两种效应,分别增加和降低块体稳定性,因此坝肩块体抗滑稳定安全系数随嵌深增加呈现出持续增大、持续减小、先增后减、先减后增4类变化趋势。经比选,推荐古学拱坝采用左岸嵌深36.5m、右岸嵌深40.5m的中嵌深方案。

双曲拱坝大悬挑曲线现浇混凝土表孔施工技术研究

因表面坡度大、结构体型复杂、高空作业危险性高等因素,双曲拱坝表孔溢流面施工控制难度大。依托浙江省清水源水库工程项目,针对双曲拱坝溢流表孔施工,研发了溢流表孔牛腿倒悬内拉悬臂支模技术和不同强度混凝土界面钢丝网连接技术,解决了大悬挑曲线现浇混凝土表孔的倒悬体结构施工难题和不同强度等级混凝土的浇筑质量问题。

材料参数对高拱坝动力响应影响研究

高坝系统运行环境复杂,与设计状态往往有比较大的差异。以溪洛渡拱坝为例,首先采用三维有限元模型基于现场实测资料反演坝体与地基材料参数,然后对比设计参数和反演参数条件下坝体的动力响应。研究结果表明,材料参数的选取对坝体-地基系统动力响应影响明显,与采用反演参数的拱坝动力响应相比,采用设计参数时坝体的动相对位移明显增加,坝肩位置横缝开度增加但中部横缝开度减小,建基面、孔口及坝踵位置损伤增加。建议对拱坝进行抗震安全性分析时采用设计参数。

东庄高拱坝温控措施敏感性分析

为了提高混凝土高拱坝温控防裂安全性,结合泾河东庄230 m超高拱坝工程特点,采用三维有限元法考虑混凝土浇筑温度、冷却水管间距、水温及流量等影响因素条件下对结构应力进行计算,分析不同温控措施条件对坝体温度及温度应力的影响程度。结果表明:混凝土浇筑温度每提高2℃,坝体混凝土最高温度增加约0.8℃~1.2℃,最大拉应力增加0.2 MPa~0.3 MPa左右,混凝土开裂风险有所增加;冷却水管间距从3.0 m~1.5 m变化,可以降低内部最高温度近4℃,大幅降低了混凝土早期最高温度;冷却水水温对最高温度和通水降温速率有较大影响,通水水温降低2℃,最高温度降低约0.5℃~0.7℃左右,初冷阶段适当降低冷却水温对控制最高温度较为有利;通水流量的影响主要体现在混凝土早期最高温度和各时期通水时间方面,而对坝体内部的温度应力影响则不明显。浇筑温度、初期冷却水温是温控敏感性较大的因素。

温度回升对坝体运行后期工作性态的影响研究

温度回升一直是大坝施工运行期间研究的重点之一。为此,结合周宁碾压混凝土重力坝,通过仿真建模,线性计算,采用张国新等人提出的高掺粉煤灰混凝土水化热温升组合函数模型,分析预测坝体后期温度回升,探究其对坝体变形、应力的影响。仿真预测结果表明,温度回升会在建坝4~5 a后达到峰值,温度回升对坝体变形的影响较小,温度回升至稳定后变形逐渐消除;对应力的影响总体来说是有利的,局部区域会产生拉应力过大。温度回升是一个长期过程,需要在大坝运行期工作性态安全评估充分考虑温度回升的影响。该研究预测性地分析了温度回升可能发生后对坝体运行后期工作性态的影响,可为其他工程温度回升的研究提供参考。

高水头大流量拱坝水垫塘水动力特性数值模拟

高拱坝泄洪过程具有高水头、大流量以及高流速等特点,对水垫塘结构安全提出了更高要求。为分析高拱坝泄洪对水垫塘地板的影响,采用标准k-ε紊流模型并借助几何重构格式的VOF法追踪水垫塘内自由水面,模拟结果与实测结果相吻合。结合水垫塘底板压力分布与湍流粘度模拟结果,分析了高拱坝泄洪消能过程中水垫塘底板的水力特性以及其对磨蚀损伤的潜在影响。

颗粒离散相模型的改进及其在滑坡涌浪数值模拟应用验证

滑坡涌浪链生灾害的演化过程涉及滑坡体-河流之间复杂的相互作用,流固耦合方法在颗粒尺度下的应用正日益凸显。为了深入研究这一问题,研究采用颗粒尺度的CFD(Computational Fluid Dynamics)-DEM(Discrete Element Method)流固耦合方法。通过编写UDF,以改进计算流体力学软件FLUENT中离散相模型只能进行动量交换而无法考虑排水效应的缺点。这不仅改善了滑坡体与流体间的体积置换问题,而且克服了网格颗粒临界尺寸比的限制。在颗粒堆积体坍塌-涌浪试验模拟中,数值模拟计算得到的最大涌浪高度为8.67 cm,与物理试验结果较为一致,证明了改进后的CFD-DEM流固耦合模型能有效还原颗粒运动状态及涌浪的波动变化,能够满足滑坡涌浪过程模拟中滑坡体粗颗粒材料建模和高分辨率真实地形网格的需求。

基于Beta函数的温度分量模型在混凝土拱坝变形监控中的应用

混凝土拱坝由于具有特殊的超静定壳体结构,对温度尤其敏感,因此拱坝变形监控模型中的温度分量对模型综合性能有显著影响。使用常见的周期三角函数和平均温度等传统温度分量构建方法,无法很好地表示拱坝坝体内部的温度分布与外界温度的滞后效应。因此,提出了一种新的温度滞后特性模拟方法,采用Beta分布来描述滞后影响,并基于Beta函数建立了混凝土拱坝变形监控模型。将基于Beta函数的温度分量模型应用于某拱坝变形监控模型的建立,结果表明监控模型的拟合精度和预测精度均优于传统模型,并表征了前期气温对沿拱向坝体测点变形的影响权重分布,描述了气温对坝体变形的滞后效应。

拱坝变形监测模型的构建和优选

文章提出了基于分离式建模技术的变形统计模型,以缓解传统统计模型中的过拟合问题。采用R^(2)-OC准则选择最优模型,一方面通过R^(2)反映模型拟合精度,另一方面通过OC定量评价模型的过拟合程度,从而识别出拟合精度高、预测精度高的模型。结果表明,基于分离建模技术的变形监测模型具有更高的预测精度和更低的误报率。R^(2)-OC准则更好地反映了监测模型的过拟合程度和拱坝监测预警的实际情况,提高了模型选择的准确性。

东庄拱坝横缝开度仿真研究

高拱坝施工期混凝土浇筑、温控、接缝灌浆、拦洪渡汛是四位一体的环节,环环相扣并互相牵制,只有浇筑顶高程、冷却区顶高程、已灌区顶高程和蓄水高程协调一致,才能保证高拱坝施工按计划顺利进行。以高拱坝横缝开度为核心的方案决策暂无成功案例,而施工期横缝开度监测只能解决过去已有问题,不能预测未来,借助高拱坝横缝开度数值模拟来预测横缝开合对坝体施工的影响尤为重要。对东庄水利枢纽开展拱坝施工期横缝开度仿真分析,模拟混凝土浇筑过程、温控过程、灌浆过程和蓄水过程,从而预测拱坝施工期的应力应变状态。