250 m级特高面板堆石坝混凝土面板顺坡向应力控制措施研究

面板应力变形控制是建设250 m级特高混凝土面板堆石坝的关键难题.大量工程实测案例和研究计算表明,特高面板坝压应力常处于较高水平,对于坝轴向应力来说,采用柔性缝降低压应力措施已被工程界普遍接受,然而,目前对于如何降低面板顺坡向压应力尚缺少有效的解决方法.本文以拟建的240 m级GS面板坝为研究对象,从特殊增模区布置、面板施工顺序、面板低高程柔性横缝、高压力区高强度混凝土材料等4个方面提出改善面板顺坡向应力的工程措施.文中通过三维有限元精细模拟方法分析了提出的顺坡向应力改善措施的效果,文中提出的措施可为250 m面板堆石坝面板应力控制提供借鉴.

峡谷区深厚覆盖层上面板堆石坝结构安全研究

趾板直接建在覆盖层上的面板堆石坝,通过防渗墙、连接板、混凝土面板以及接缝止水构成完整的防渗体系,由于覆盖层的大变形以及岸坡区以及河床覆盖层区较大的差异变形使得整体防渗体结构安全面临严峻考验。依托新疆某电站面板堆石坝工程,室内试验与现场旁压试验相结合确定合理的覆盖层和筑坝料力学参数,采用数值计算方法优化分析了连接板宽度、防渗墙施工次序、混凝土面板宽度、面板柔性缝设置方式等措施对改善防渗体系应力变形的效果。结果表明:合理的连接板长度与分缝型式可减小连接板应力和接缝变位;防渗墙后期施工能显著改善墙体应力,减小面板分缝宽度和设置柔性缝均能较好控制面板的应力性态;对于覆盖层上的新疆某电站面板堆石坝,防渗墙与连接板接缝以及陡峭左岸周边缝剪切变形是控制该工程运行安全的重要因素,研究结果可为同类型土石坝设计建设提供借鉴。

基于颗粒破碎耗能的堆石料流变模型

由于堆石料流变的复杂性,现有的经验流变模型主要是根据流变试验结果,考虑围压和剪应力或其耦合效应的影响所建立,存在一定的随意性且存在参数多和物理意义不明确等问题。开展了红石岩堰塞料三轴压缩试验和流变变形试验,分析了流变过程中应变能与围压和应力水平的相关关系,得到了流变应变能的表达式;基于考虑颗粒破碎耗能的ROWE剪胀方程和流变过程中切线体积比保持不变的推论,推导得到了最终体积流变和剪切流变的表达式,所建立的模型可反映堆石料流变变形的机理。花岗岩堆石料、砂岩堆石料和砂砾料等其它堆石料的分析结果表明,提出的流变变形计算模型具有普适性。

高心墙堆石坝接触黏土与岸坡接触特性的离心模型研究

为了提高砾石土心墙与岸坡之间的变形协调性,高心墙堆石坝通常在心墙与岸坡之间设置高塑性黏土,统称为接触黏土,接触黏土的变形特性对高心墙的应力变形性状和心墙的安全性有重大影响。开展了4组接触黏土与岸坡接触面的局部离心模型试验,通过调整施加的上覆荷载大小来探讨原型坝体不同高程处的接触面剪切位移发展规律。基于理论分析,提出了一个计算接触黏土与岸坡接触面离心模型试验中边界效应影响范围的解析表达式,以确定接触面离心试验中试验模型的相似比尺。试验结果表明:在原型坝体的不同高程处,接触黏土与岸坡之间均会产生一定的剪切位移,但不会出现分离现象;接触黏土和砾质心墙土变形主要以竖向下沉为主,并且接触黏土与砾质心墙土之间的沉降等值线变化较为连续,未出现陡变情况,这说明接触黏土起到了很好地协调变形的作用,因此在进行高心墙堆石坝的结构安全性分析过程中应考虑接触黏土与岸坡的接触效应。

基于状态参数的筑坝粗粒土本构模型

粗粒土的应力应变关系与其密实度有着密切的关系。当前常用的粗粒土本构模型无法考虑密实度对其力学行为的影响,在粗粒土三轴试验基础上建议了一个基于状态参数的粗粒土双屈服面模型,推导了其应力应变表达式。该模型能够反映不同初始孔隙比条件下粗粒土的峰值强度、剪胀性、应变硬化或软化规律。通过与多组粗粒土三轴试验结果比较,验证了模型的适应性。

陡峻河谷高面板坝坝体与坝基接触效应

以新疆大石峡250 m级特高面板砂砾石坝为依托工程,采用大型接触面直剪试验确定了筑坝料与基岩的摩擦接触参数,建立了考虑坝体与坝基相互接触作用的面板坝三维数值模型,研究了摩擦接触效应对坝体、混凝土面板应力变形以及止水接缝三向变位的影响。结果表明:双曲线模型符合筑坝料与基岩之间剪应力与位移的非线性关系;若不考虑坝体与基岩的接触效应,坝体边界处变形梯度和主应力值计算值均偏小,导致判断该区域坝体开裂区范围偏小而拱效应被高估;蓄水期面板挠度和顺坡向应力受接触效应影响相对较小,而轴向位移和轴向应力受接触效应影响较大;周边缝变位受接触效应影响非常强烈,在高水头压力作用下,坝体局部可能出现相对基岩的滑移导致周边止水变形和坝肩竖缝张开量大幅增加。陡峻河谷筑坝若不考虑接触效应,计算结果是偏危险的。计算结果和Anchicaya坝实测渗漏位置结果均表明,周边缝变位控制是陡峻河谷面板坝建设的关键。

黏弹性方法用于面板堆石坝动力分析时必要的改进

目前,黏弹性方法被广泛应用于面板堆石坝动力分析,基本形成了黏弹性模型计算坝体动力响应、永久变形模型计算坝体残余变形的模式,并分别从坝体动力响应和永久变形两个方面评价坝体地震安全性。现行方法用于面板堆石坝动力分析时存在一个明显的缺陷,即没有考虑地震过程中永久变形发展对混凝土面板动应力的影响,对于强震下产生明显永久变形的高面板坝可能导致严重的误差,所以,黏弹性方法用于面板坝动力计算时应进行必要的改进。建议采用"先分后合"的计算策略,首先按照现行方法分离计算坝体动位移和永久变形位移,然后将两者叠加作为地震过程中结构的实际位移,并基于此实际位移计算结构的应变、应力。以新疆玉龙喀什面板堆石坝为例,计算说明了对当前动力计算方法进行改进的必要性。

胶凝粗粒料的弹塑性模型与应用研究

目前工程技术人员对胶凝粗粒料能否应用于高堆石坝等重要、永久性建筑物还存在疑虑,这主要是由于目前对胶凝粗粒料力学性质研究尚不充分。尚没有广为认可的胶凝粗粒料标准本构模型,使得胶凝粗粒料数值模拟结果可信度较低。进行了胶凝砂砾料大围压范围(7级围压,范围100～3000 kPa)的室内三轴剪切试验,试验结果表明,胶凝砂砾料力学性质具有压硬性、强度非线性、强剪胀性和应变软化性等显著特征。研究发现,三轴应力路径的胶凝砂砾料应力应变关系可用驼峰曲线较好描述,其体积剪胀性可采用Rowe剪胀方程描述,以此建立了三轴应力平面内胶凝砂砾料应力应变关系,并根据广义塑性理论中切线模量与塑性模量之间的关系,将模型拓展至三维应力空间,得到了胶凝砂砾料弹塑性本构模型。试验结果和前人多组试验结果对该模型进行了验证,均表明模型具有良好的适用性,模型简明、实用,易于数值实现。将该模型成功应用于一个高面板坝的"胶凝增模区"弹塑性分析,并从坝体、防渗体应力变形安全性方面评估了胶凝料用于高堆石坝"增模"的可行性。

地震动波动输入方法在高土石坝动力分析中的应用研究

地震动输入方法是高土石坝动力分析的重要方面,传统的一致性地震动输入方法难以合理反映地震波的"行波效应"和"地基辐射阻尼"现象,本文将地震动波动输入方法引入了土石坝有限元静动力分析程序TOSS3D,通过与解析解比较,验证了开发程序的正确性.以拟建新疆247m高大石峡砂砾石面板坝为依托工程,对比分析了一致性输入和非一致性地震动输入情况下大坝加速度反应、动位移、坝体残余变形以及防渗体动应力的差异.结果表明,波动输入方法由于考虑了地基的辐射阻尼现象,其计算所得的加速度放大系数、面板动应力以及坝体残余变形均较一致性输入小.研究认为,采用波动输入方法更有助于评估大坝的实际抗震能力,对于200～300m级高土石坝地震分析应采用能够反映土石坝坝体与基岩之间相互作用的数值模型.

位移多点约束法在面板堆石坝精细模拟中的应用研究

面板堆石坝数值模拟中为了兼顾计算精度和计算效率,可对混凝土面板划分精细网格,并与堆石体相对稀疏的网格进行合理的连接过渡。基于自主研发的有限元执行平台,开发实现了基于位移多点约束的疏密网格过渡方法,并应用于在建200 m级面板堆石坝工程数值模拟。通过方案对比,验证了该方法的精度,且面板精细网格与堆石体稀疏网格之间变形协调。相较于传统模拟方法,面板精细模拟方法可细致表达面板内应力变化梯度,能够为跨尺度精细模拟混凝土面板性状提供技术基础。该方法简便实用、易于数值实现,具有较好的推广应用前景。

砂板岩堆石料填筑200m级面板堆石坝的应力变形分析研究

西藏JD混凝土面板堆石坝工程最大坝高达189 m,大坝主要填筑区采用微风化、弱风化砂质板岩堆石料,坝料存在模量低、后期变形偏大、浸水易湿化等问题。基于系统室内试验测定的模型参数,采用三维非线性有限元方法对JD面板堆石坝进行了应力变形分析,并考虑了填筑加载、流变、浸水湿化等因素的影响。分析结果表明:坝体变形符合一般规律,运行期坝体最大沉降和坝顶工后沉降分别为165.6 cm和48.2 cm,为坝高的0.88%和0.26%,坝体最大沉降与类似工程相比处于中等水平,面板压应力在材料允许范围以内,拉应力略有超标,接缝止水变位在材料的允许范围以内;考虑湿化效应后坝体沉降位移增加5.3 cm,面板挠度增加6.7 cm,压拉应力均有所增大,止水接缝变位也有所增大。图7幅,表7个。

复杂巨厚覆盖层高闸坝基础变形控制研究

变形控制是复杂巨厚覆盖层上高闸坝建设的重要难题。为此,以深厚覆盖层上多布水电站闸坝工程为例,系统介绍了深厚复杂覆盖层上闸坝基础变形控制措施,提出了可反映深厚覆盖层超固结特性的弹塑性模型及大规模桩群简化模拟方法,实现了深厚覆盖层闸坝工程的三维整体模拟,并通过三维数值模型结果与现场监测结果比较验证了多布水电站地基加固措施的有效性和必要性。

粗粒坝料边坡稳定分析强度指标研究

分别采用线性、非线性强度指标,对几座典型高堆石坝边坡进行稳定计算,并分析了计算结果产生差异的内在原因;认为粗粒土坝坡最危险滑弧位置较浅,低围压区的抗剪强度特性才是决定坝坡是否稳定的关键。在国内外多个堆石坝料强度统计资料基础上,认为De Mello幂函数强度准则更合理地反映不同应力范围抗剪强度的非线性特征;通过拟定不同坝高、坡比的坝坡进行稳定计算,确定了土石坝不同坝高潜在最危险滑块的工作应力范围,并建议了基于该应力范围的线性强度指标取值,其边坡稳定分析最小安全系数与非线性强度指标的计算值基本相当。

面板堆石坝混凝土面板配筋计算方法研究

混凝土面板应力变形安全是面板堆石坝工程的关键,然而传统面板坝分析方法大多未考虑面板的配筋效应,实际面板配筋方案制定缺乏理论依据。提出了基于限裂理念的混凝土面板配筋计算方法:采用非协调网格计算技术精细模拟混凝土面板应力,采用钢筋埋置单元模拟钢筋加固作用,采用损伤模型模拟混凝土材料损伤开裂行为,通过引入与几何尺寸、钢筋应力相关的裂缝宽度公式实现混凝土面板限裂配筋计算。提出的方法可定量研究面板限裂配筋,为复杂条件下面板坝配筋设计提供理论依据。文中以正在施工建设的大石峡特高面板坝为例,初步研究了该坝的面板配筋方案。

有限元法中非关联流动条件下刚度矩阵的存储方式及平衡方程求解

岩土材料本构常采用非关联的流动法则,在有限元计算中其整体刚度矩阵存储和平衡方程求解都异于常规方法,依据非关联流动法则下有限元方法的特点,建议了相应的整体刚度矩阵的存储方式以及平衡方程的求解方法.使用和常规有限元相同的指示矩阵实现了对刚度矩阵的一维压缩存储,在平衡方程求解过程中,通过判断元素是否在"存储有效区"进行了刚度矩阵元素的分解和存储.此方法在常规有限元方法基础上进行了较少的修改,执行程序方便,节省存储空间.文末给出了相关的程序.

老挝南俄3面板堆石坝结构安全和工程措施研究

在建的老挝南俄3面板堆石坝坝高达两百米级,已接近世界第一高面板堆石坝-水布垭面板堆石坝.南俄3大坝堆石料模量较低,后期变形偏大,面板可能存在挤压破坏、拉裂破坏、翘曲脱空等诸多问题,危害大坝安全.设计建设期工程技术人员就面板应力变形安全、坝体-地基摩擦接触效应、面板脱空等技术问题提出了质疑.本文通过三维有限元方法结合工程实践经验对该坝结构安全以及工程措施有效性进行了细致论证,结果表明,采用了设置压性缝、提高低高程部位混凝土标号和配筋率、控制预沉降时间等措施后大坝结构安全是有保证的.本文详细阐述了南俄3大坝结构安全论证过程以及采取工程措施的必要性,研究方法和技术路线可为海外高土石坝工程的设计、计算、建设提供借鉴.

筑坝土石料的统一广义塑性本构模型

室内三轴试验资料的分析表明:与砾石土心墙料不同,密实堆石料、砂砾料的破坏应力比,随围压的增长出现明显降低;而反映坝料剪胀特征的应力比,随着围压的增长基本不变。根据试验资料,建立了描述土石料剪胀状态和破坏状态的统一应力表达式;针对现有广义塑性模型不能合理反映土石料压缩性的问题,采用改进剪胀方程,利用室内压缩试验和三轴剪切试验成果,构造弹性和塑性模量,提出了一个可以考虑土石料复杂加载特性的实用的统一广义塑性本构模型;将上述模型编制程序,模拟土石料的试验加载,得到预测值与试验数据吻合良好,可较好反映筑坝土石料的应力变形特性。

基于流固耦合的高压混凝土隧洞衬砌结构配筋研究及应用

当采用面力理论计算新疆阿尔塔什水利枢纽工程的发电引水隧洞的配筋量时,衬砌含筋量巨大,与实际情况不符合。对此,采用岩体弹塑性渗流—应力—损伤耦合模型,将动态变化的体积力施加于整个模型,得出混凝土衬砌应变情况,根据衬砌应力按照现行规范进行限裂配筋。计算得出了围岩、衬砌的渗流场、应力场和相应的水力梯度以及最高外渗水头。结果表明,考虑流固耦合下的高压隧洞衬砌应力小于面力理论计算的成果,且前者计算出的混凝土衬砌配筋量远小于后者的计算结果。研究成果可为类似隧洞设计提供参考。

高混凝土面板堆石坝地震损伤机理研究

以紫坪铺面板堆石坝为例,基于堆石料的黏弹性模型和地震残余应变模型计算分析了高混凝土面板堆石坝的地震响应,并结合震害调查结果分析了高混凝土面板堆石坝的地震损伤机理。研究表明,输入地震加速度在坝顶附近和坝坡表面显著放大,呈现出显著的鞭梢效应,导致坝顶和下游坝坡上部堆石体松动滚落。地震导致大坝堆石体产生显著剪缩,坝体断面整体向内收缩,刚性混凝土面板与垫层料之间脱空,脱空后面板与垫层料之间的摩擦力大幅减小甚至消失,面板在自重和地震惯性力联合作用下向下滑动,致使面板水平施工缝发生错台,面板表面产生裂缝。地震还导致岸坡附近左右坝段堆石体向河谷中央位移,致使岸坡附近面板垂直接缝发生拉伸破坏,河床中部垂直接缝及附近混凝土面板发生挤压破坏。数值计算和震害调查结果均表明,高混凝土面板堆石坝的地震损伤现象主要与其堆石体地震残余变过大,以及堆石体与防渗系统之间变形不协调密切相关,故强震区修建高面板坝应尽可能提高堆石体压实密度,以减小坝体的地震残余变形。

缩尺方法的分形解释

从理论上证明了工程中常用的Talbot级配曲线符合分形理论.在此基础上,对规范中常见的4种缩尺方法进行了分形解释,首次对缩尺方法从理论上进行了分析.结果表明,剔除法和相似级配法缩尺后级配仍为分形级配,且分形维数不变,这两种缩尺方法本质相同,可以相互转换;等量替代法和混合法缩尺后,级配结构发生变化,分形维数也不同,但可用修正后的分形级配公式反映.