深厚覆盖层上土石坝防渗墙损伤开裂精细化分析及防渗功能评价

混凝土防渗墙是覆盖层上土石坝坝基的关键防渗结构,由于防渗墙与覆盖层的刚度和尺度差异巨大,通常的数值分析方法难以保证精度,且现有基于强度的安全评价方法,无法适应防渗墙作为防渗结构而非承载结构的功能评价要求。本文提出了比例边界元-有限元耦合跨尺度离散、塑性损伤模型和内聚力模型分离描述压损伤和受拉开裂、破损后防渗功能目标评价的精细化分析方法,实现了深厚覆盖层上土石坝防渗墙的性态演化评价。研究结果表明:超深覆盖层上悬挂式防渗墙在两岸底部因近似垂直于岸坡的高压应力发生压损伤,类“外伸梁”的面内弯曲变形使靠近防渗墙两岸的顶部和底部区域产生坝轴向高拉应力导致槽段间出现竖向裂缝;在防渗墙两岸的上游侧局部设置辅助防渗措施,可有效降低防渗墙破损后的渗流量。本文方法揭示了混凝土防渗墙的损伤开裂模式,定位了防渗墙薄弱区域,评价了防渗墙损伤开裂对防渗功能的影响,量化防渗措施效果,实现了防渗墙从传统承载能力评价到功能性态评价的跨越,可为深厚覆盖层上土石坝防渗墙的安全评价和设计优化提供理论和技术支持。

超深覆盖层上面板坝防渗墙连接板接缝变形机制及优化分析

针对超深软弱覆盖层上的面板坝工程止水缝安全问题,从变形和应力2个方面开展优化研究,揭示了防渗墙连接板趾板面板防渗体系的变形模式,定位了薄弱位置,提出了优化方案,并量化了工程应用效果.结果表明,防渗墙与趾板间沉降差集中在防渗墙与连接板之间的止水缝处,设置多块连接板无法起到逐步过渡沉降差的作用.防渗墙下游侧设置侧向支撑、制作倾斜形止水缝、趾板下设支撑墙均可减小防渗墙连接板间止水缝沉陷变形.相比垂直止水缝和多块连接板的传统方案,所提的防渗墙顶部拓宽连接板倾斜形止水缝以及防渗墙顶部拓宽倾斜形止水缝趾板下设支撑墙的深厚覆盖层上面板坝防渗体系综合优化方案可使防渗墙与连接板之间止水缝沉陷变形分别减小41.5%和53.8%.

泵闸水利工程数字孪生安全模型研究与应用

为提升国家水安全保障能力,致力于智慧水利建设与数字孪生流域建设,围绕“预报、预演、预警、预案”的“四预”系统,对复杂周边环境大型河口泵闸工程堤坝、基坑和外围堰工程进行科学计算与安全分析。依托智能化模拟、数据库建设以及数字化、智能化、网络化,构建具有“四预”功能的智慧水利系统,实现对风险的早期发现与管理。研究成果包括86组堤坝与基坑工程及43组外围堰工程的子数据库,构成智慧水利的核心,赋能精准地预报、快速地预警、前瞻地预演和细化地预案。“四预”体系以天、空、地一体化多元水利感知网为基础,实时与安全模型的科学计算相结合,制定灾害态势的时空阈值,为预警提供先机,为启动预演提供指引,为预案制定提供数据支撑,实现预报的先时筹备、预警的实时战备、预演的全时防备三位一体化预案体系,为水安全管理提供了强有力的技术支持。

土–界面–结构体系计算模型研究进展

土与结构的相互作用是水利和土木工程的一个关键共性问题,其分析是揭示工程中结构损伤破坏机理的重要环节。将土–界面–结构作为一个体系进行整体分析是精细研究土–结构相互作用的基础,但在大型工程应用时面临着一系列难题,包括:土–结构接触边界约束,土–结构接触力学特性,以及土–界面–结构体系建模和分析等。本文对这些问题的相关研究进行了综述和总结,并对今后的主要发展方向提出了建议。

强震作用下面板堆石坝跨尺度面板开裂演化分析

准确定位面板薄弱区域、定量评价面板破坏程度对面板坝抗震安全评价至关重要。联合非完全点对点界面和四分树网格生成技术,实现了面板坝面板与垫层接触作用的两级跨尺度精细化建模;引入混凝土黏聚力模型并联合筑坝材料广义塑性模型、状态相关的弹塑性接触面模型考虑材料强非线性和破坏过程,建立了强震作用下面板动力弹塑性跨尺度开裂演化分析方法,并研发了显式地震波动分析框架下的SBFEM-FEM耦合计算软件。以200m级面板坝为例进行了面板动力破坏数值分析,并分别考虑了面板配筋率、竖向地震和坝前水深的影响。结果表明:十分直观地再现面板坝防渗面板的动力开裂演化过程,有助于定位面板局部薄弱区域、定量评价面板破坏程度以及评估抗震措施加固效果,为混凝土面板抗震优化设计和极限抗震能力评估提供技术支持。可拓展用于其它混凝土防渗结构破坏计算,且可容易地扩展至三维分析应用。

超深覆盖层上高沥青心墙坝防渗墙受力状态的精细化分析

混凝土防渗墙是深厚覆盖层地基上修建土石坝的主要坝基防渗结构,是保证大坝安全的关键防线,因此,精细模拟防渗墙的受力状态,对于合理评价深厚覆盖层上土石坝工程具有重要意义。联合增量迭代法和有限元-比例边界有限元耦合方法,实现了土石坝应力变形的跨尺度精细化分析,克服了中点增量法求解局部强非线性问题时精度低的缺陷;发现了防渗墙-心墙接头附近和防渗墙底部土体剪切带的局部大应变特性,阐明了传统方法无法描述土体局部大应变而高估防渗墙应力的机制;提出了设置薄层单元来模拟应变局部效应的高效计算方法,实现了超深覆盖层上高沥青心墙坝防渗墙受力状态的三维精细化分析。本研究发展的有限元-比例边界元-增量迭代法-预设薄层单元的跨尺度非线性分析方法可为深厚覆盖层上土石坝防渗墙的安全评价和设计优化提供理论和技术支持。

强震作用下特高土石坝多耦合体系损伤演化机理及安全评价准则

中国西部拟建多座坝高250~300 m级别的特高土石坝工程,但西部地区地震频度高、强度大,地震的突发性和不确定性对这些特高土石坝的抗震安全构成了巨大威胁。高土石坝抗震安全评价是多系统、真三维、非线性、非连续的复杂问题。然而,传统高土石坝动力分析方法仍在弱非线性范围内,各种相互作用的影响大多被简化并孤立进行,难以对强震作用下特高土石坝动力破坏过程、耦合效应及其影响进行深入研究和科学认识。面向中国300 m级特高土石坝建设需求,依托RM、拉哇等特高土石坝,重点突破了筑坝材料强非线性、大坝-地基-库水动力相互作用、精细化建模和分析方法、自主高性能计算软件以及极限抗震能力评价方法和标准等方面的一系列科学问题和技术难题。研究成果为特高土石坝抗震安全设计提供了先进的评价方法和标准。

基于无网格界面模拟方法的面板坝防渗体跨尺度分析

混凝土面板作为面板坝关键的防渗结构,其安全性态至关重要。由于防渗面板与堆石体尺寸相差悬殊,如何在保证面板高精度模拟的前提下提高计算效率是一个亟待解决的难题。通过引入背景网格线及径向插值函数(RPIM),开发了基于无网格的界面模拟方法,实现了界面两侧节点自由分布,克服了Goodman单元点对点的限制。该方法可灵活地连接两侧不同尺寸的面板及堆石体网格,进而建立面板与垫层跨尺度分析模型。同时采用"面向对象"及"超单元"技术将该方法集成到自主开发的GEODYNA计算平台中,实现了与传统有限元法的无缝耦合,并可应用界面弹塑性本构模型模拟堆石和面板复杂的接触关系。在此基础上,通过引入虚节点进一步提高了径向插值函数(RPIM)在边界附近的模拟精度。研究表明,基于无网格的非点对点界面模拟方法可高效、灵活地实现面板坝跨尺度分析,在保证高精度的前提下大幅度降低自由度和提高计算效率。本文研究方法可以很容易地扩充到三维问题,并为面板坝面板精细化损伤演化分析提供有力的技术手段。

深厚覆盖层上土质心墙坝防渗墙-心墙接头局部无网格大变形分析

土质心墙坝作为覆盖层地基上的一种重要坝型,其上部土质心墙与下部混凝土防渗墙直接相连,由于材料刚度差异悬殊,两者在接头区域往往存在防渗墙“贯入”心墙的局部大变形现象。在任意拉格朗日-欧拉(ALE)框架下,开发了无网格大变形弹塑性分析方法,协同发挥了ALE框架在大变形分析中稳定和高精度的优势以及无网格法(Meshless)无需单元拓扑的特点,解决了有限元法因网格扭曲引发的精度降低或复杂重剖分问题。基于面向对象的C++语言,将该方法集成到自主开发的GEODYNA计算系统中,实现无网格大变形方法与有限元(FEM)、比例边界有限元(SBFEM)的无缝耦合。将耦合Meshless-FEM-SBFEM方法应用于某深厚覆盖层上土质心墙坝,联合土体广义弹塑性模型,再现了坝体在填筑过程中防渗墙“贯入”心墙的局部大变形发展过程,发现在竣工期小变形分析低估防渗墙竖向应力约4.1 MPa(占13%),并指出了防渗墙顶部两侧土体间存在剪切带。

去学沥青混凝土心墙坝高基座体型研究

依托坝高173.2m的四川去学沥青混凝土心墙堆石坝,介绍了一种基于高基座的沥青混凝土心墙坝型,通过对该坝进行二维有限元计算,分析了混凝土高基座的应力分布规律。在此基础上,对原设计方案进行了优化。结果表明,采用优化的基座体型后,混凝土基座的最大压、拉应力均大幅降低,最大拉应力降低近70%。去学沥青混凝土心墙堆石坝的成功建设,对今后类似工程设计具有重要参考价值。

基于弹塑性模型参数反演的高土石坝地震响应预测

合理准确描述堆石料的力学特性是高土石坝地震响应预测和安全评价的重要前提。以特高心墙坝填筑期变形的监测结果为目标值开展了三维反演分析,获取了反映大坝真实状态的坝料广义塑性模型和邓肯张E-B模型的参数,探讨了两种本构模型描述高土石坝变形的精度,随后采用反演的广义塑性模型参数开展了高土石坝的地震响应预测及安全评价。结果表明:目前反演分析常用的邓肯张E-B模型无法兼顾竖向和水平变形,且反演参数无法用于动力分析;静动统一的广义塑性模型计算的竖向和水平位移均与实测结果吻合良好,并可直接用于大坝的动力响应预测。所建立的一整套基于弹塑性模型参数反演的高土石坝地震响应预测分析方法,可为高土石坝的安全评价和风险预警提供可靠的技术支撑。

跨尺度网格识别方法及在防渗墙分析中的应用

为了高效地生成二维比例边界有限元-有限元(SBFEM-FEM)跨尺度耦合网格,提出跨尺度网格识别方法.该方法结合CAD人为可控的特点,对图形线段进行识别、裁剪、整理,生成有效节点与线段;根据节点与线段的拓扑关系以及封闭域的构造,生成合理的多边形比例边界单元或有限单元;最后组装节点与单元信息,输出可以用于数值分析的二维SBFEM-FEM跨尺度耦合网格.为了验证生成SBFEM-FEM跨尺度耦合网格的有效性及计算精度,依托某堤坝工程,对比分析了防渗墙不同网格剖分方法获得的墙体应力变形分布规律及峰值.结果表明,采用常规大尺度有限元网格模拟获得的主应力误差可以超过48%,基于所提跨尺度精细数值网格获得的结果误差不能超过5%,且其网格单元量大幅度降低.跨尺度网格识别方法可以为堤坝工程防渗结构提供有力的支持.

钢纤维混凝土面板堆石坝的抗震性能数值分析

混凝土面板的损伤开裂是威胁面板堆石坝安全的重要因素,纤维混凝土是减小面板开裂的工程措施之一。本文将钢纤维混凝土的本构关系引入到了塑性损伤模型中,并联合广义塑性模型,对200 m级的面板堆石坝进行了弹塑性地震反应分析,分别研究了钢筋混凝土面板和钢纤维混凝土面板的动力损伤及发展过程,并考虑了不同钢纤维含量的影响。结果表明,塑性损伤模型可以较好地模拟钢纤维混凝土的应力-应变关系;钢含量相同时,钢筋混凝土面板和钢纤维混凝土面板的损伤区域均在2/3坝高以上;相比于钢筋混凝土面板,钢纤维混凝土面板地震损伤程度降低了18%,损伤范围减小55%;钢纤维含量从70 kg/m3增加到110 kg/m3后,钢纤维混凝土面板的损伤程度降低14%,损伤范围减小80%。研究结果对钢纤维混凝土应用于强震区面板坝的面板抗裂和提高大坝极限抗震能力提供了依据。

高土石坝极限抗震能力评价量化指标研究

土石坝极限抗震能力是评估土石坝抗震安全性的重要内容.然而目前国内尚无规范明确规定土石坝极限抗震能力的评价标准,且已有的关于土石坝地震破坏评价要素及其指标的研究成果尚不统一,此外还存在不同要素的指标得到的安全裕度不协调的问题.本文基于系统的高土石坝(坝高大于200 m)地震整体弹塑性变形和坝坡局部滑移量数值分析、全面的实测工程资料调研对比研究,提出了确定高土石坝极限抗震能力评价标准的4项基本原则:严格依据实测土石坝震陷率和震害程度映射关系;保证极端地震时不溃坝;震陷率是关键控制指标;确保震陷率、坝坡滑移量、接缝止水等评价要素的协调性.据此最终建议了地震条件下高面板坝和心墙坝的极限抗震能力的评价量化指标.研究成果可为高土石坝极限抗震能力分析提供重要的标准依据.