Research on the Seepage Safety Monitoring Indexes of the High Core Rockfill Dam

The study on developing the reasonable safety monitoring indexes plays a most importantly role in the health monitoring of high core rockfill dams. However, researches on this topic are relatively scarce both at home and abroad. In this paper, the characteristics and failure modes of seepage in high core rockfill dam are analyzed firstly. Then, a safety monitoring index based on seepage quantity, which reflects the overall seepage behavior, is developed, using the real-time monitoring data and its safety monitoring model. Moreover, another safety monitoring index based on seepage gradient, reflecting the local seepage behavior, is proposed, combining the spatial layout of osmo- meters and local failure mechanisms of core wall. Additionally, one more safety monitoring index based on permeability coefficient, which considers the overall and local seepage behaviors, is developed, on the basis of establishing the finite element analysis model and real-time seepage coefficient inversion analysis model of high core rockfill dam. A case study on these indexes of Nuozhadu high core rockfill dam is developed, which improves the reliability of seepage safety evaluation of the dam.

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。

高土石坝心墙砾石土料掺配施工技术

高砾石土心墙土石坝防渗体砾石土料的质量对坝体结构稳定和长期安全运行至关重要,通过对不同土料掺配施工技术研究,制定出精确掺配的相关施工工艺参数,解决了常规施工存在的诸多问题,提高了高土石坝砾石土料掺拌和填筑施工质量,节约了工程施工成本,确保了坝体结构稳定和运行安全,为工程正常有序施工及完建创造了良好的条件。

采用瑞典圆弧法和毕肖普法评价超高沥青心墙坝的稳定性

鉴于狭窄河谷地区百米级高沥青混凝土心墙坝所面临的变形控制难、防渗体易破坏等诸多设计难点,结合工程特点提出适合心墙坝体结构、坝壳料设计方案。采用中国水科院自编程序STAB2009瑞典圆弧法、毕肖普简化法对工程大坝边坡稳定进行计算,结果表明:坝体在各个工况下2种方法计算出的结果基本相当,且坝坡最小安全系数均有一定安全储备。说明大坝结构设计合理,为150 m级沥青心墙坝工程设计提供思路。

库水骤升条件下特高心墙堆石坝渗流及坝坡稳定性分析

为分析库水骤升对特高心墙堆石坝的渗流特性及坝坡稳定性的影响,以某特高心墙堆石坝实际情况为例,建立有限元分析模型,采用饱和-非饱和非稳定渗流理论,对库水骤升阶段渗流场进行了数值模拟,并将非稳定渗流场与极限平衡法相结合分析了坝坡稳定性。研究结果表明:库水骤升过程中,心墙内浸润线变化相对库水位变化表现出明显的滞后性,浸润线呈现“下凹”形状,且水位骤升速率越快,向下弯的程度也越大;库水骤升阶段,心墙内非稳定渗流等势线整体向上游偏移;库水骤升对上游坝坡稳定性具有有利影响,下游坝坡由于心墙较好的防渗性,基本保持不变。

土石坝水力劈裂发生机理及模型试验研究

探讨了心墙堆石坝心墙发生水力劈裂的机理,认为在土石坝心墙中可能存在的渗水弱面以及在水库快速蓄水过程中所产生的弱面水压楔劈效应为心墙发生水力劈裂的重要条件。基于上述思想,研制了一种新型的研究水压力沿渗透软弱面渗入土体形成水压楔劈效应并诱导发生水力劈裂现象的试验装置,采用糯扎渡高心墙堆石坝心墙混合土料进行了水力劈裂试验。研究结果证实了所提出的渗透软弱面水压楔劈效应作用模型的正确性。

高心墙堆石坝极限抗震能力初探

高土石坝需要进行极限抗震能力和地震破坏模式分析。通过坝体动力反应分析、动强度验算以及地震变形分析,综合研究了高心墙土石坝的破坏过程。认为处于抗震极限状态的大坝防渗体及上游反滤料的顶部存在动强度不足问题,进而引起坝顶地震裂缝及上游反滤料顶部液化,最终导致坝体上、下游坝坡的失稳破坏。

土石坝横向裂缝的土工离心机模型试验研究

岸坡突变所产生的不均匀沉降变形常常是导致土石坝心墙发生横向裂缝的主要原因。使用糯扎渡高心墙堆石坝心墙混合土料进行了模拟心墙发生横向裂缝的土工离心机模型试验。试验中再现了由于岸坡坡度变化导致坝顶发生横向裂缝的现象。采用工程中常用的3种裂缝分析方法:倾度法、Leonards法和有限元应力法对试验结果进行了分析。结果表明,前两种方法仅在测点较多时才是适用的,而有限元应力法对土石坝心墙横向裂缝问题更为有效。

重大水利水电工程施工实时控制关键技术及其工程应用

高心墙堆石坝和高混凝土坝的施工质量与施工进度控制是工程建设的重要技术问题。针对常规人工控制手段难以确保高心墙堆石坝施工质量,以及高强度连续施工下高混凝土坝施工进度难以实时控制等问题,提出了高心墙堆石坝填筑碾压质量实时监控技术、坝料上坝运输过程实时监控技术和施工质量动态信息PDA实时采集技术,实现了大坝填筑碾压全过程的全天候、精细化、在线实时监控;在建立高混凝土坝施工进度实时控制数学模型基础上,提出了施工进度实时预警与动态调整方法,为高混凝土坝施工进度的实时预测、适时预警、动态调整与优化提供了分析手段;提出了网络环境下数字大坝系统集成技术,研制开发了数字大坝系统,为大坝竣工验收、安全鉴定及运行管理提供了支撑平台。成果已应用于10余项重大工程,取得了显著的经济效益和社会效益。

考虑参数相关的高心墙堆石坝材料参数反分析

在高心墙堆石坝应力变形控制数值模拟中,除了所采用土体本构模型的误差影响外,材料参数取值是否合理也是影响堆石坝变形预测精度的关键因素之一。传统参数反分析方法未考虑材料参数之间相关性影响,可能导致反分析参数值与材料实际特性不匹配。另外,高心墙堆石坝材料分区较多,模型待反分析参数多,计算量较大。针对邓肯–张E-B模型参数,通过大量室内试验数据统计分析,得到材料的抗剪强度参数φ与φ、切线模量系数K_e与体积模量系数K_b、切线模量指数n与m存在显著相关关系,根据其相关关系确定模型基础反分析参数为φ、R_f、K_e和n。构建了基础反分析参数为自变量,数值计算位移值为因变量的响应面方程,运用改进的遗传算法和已知的参数回归方程求得文中模型待反分析参数最优解。以瀑布沟砾石土心墙堆石坝工程为例,对坝体及覆盖层材料参数进行了反分析。计算结果表明,考虑参数相关的反分析方法得到的材料参数更加符合材料的真实特征,由于减少了待反分析参数个数,使计算效率显著提高,该反分析方法可为类似工程提供参考,具有工程应用价值。

300m级高土石心墙坝流变特性研究

300 m级高土石心墙坝的流变特性对预判坝体竣工后长期变形及沉降具有重要的意义,对于研究防渗心墙能否适应坝体长期变形并正常工作亦至关重要。依托314 m高的双江口土石心墙坝工程,使用大型高压三轴仪对上、下游堆石料进行了流变特性试验研究,研究表明当最终的应力状态一致时,堆石料的流变按照分级加载和按照单级加载得到的流变曲线随着时间的发展差异性逐渐减小,最后基本趋于一致。在试验基础上,依据流变经验模型,得出了流变分析参数,并采用三维有限元法分析了300 m级土石心墙坝的流变特征。数值分析表明流变速率对坝体工后沉降幅度影响显著,由于试验中的流变速率较之现场坝料的实际流变情况明显偏快,因此流变速率的确定还有必要依据已建工程的反分析进行修正。

糯扎渡高心墙堆石坝的抗震措施研究

本文在广泛收集调研国内外强地震区已建心墙堆石坝抗震加固措施的基础上,通过有限元分析,研究采用上缓下陡坝坡抗震措施的效果,并用杆单元模拟堆石体中的加筋,探讨对坝顶一定范围进行坝体加筋抗震措施的可行性。根据动力有限元分析计算的坝体加速度分布、坝体永久位移结果,总结糯扎渡坝体动力反应的规律,评价糯扎渡坝坡的抗震安全性。

高心墙堆石坝施工期变形时空预测模型研究

针对高心墙堆石坝变形监测断面有限,传统的单点变形预测模型难以有效反映坝体整体变形趋势的特点,通过采用分离型时空模型的构建方式,以及基于物理成因分析的单点变形拟合和空间拓展的思路构建施工期变形时空预测模型,能够克服单点序列模型的某些缺点。基于现有的粗粒土变形计算理论,推导并建立坝体垂直、水平变形单点物理成因模型,在单点物理成因模型的基础上采用克里金空间插值技术进行空间拓展,构建高心墙堆石坝变形时空预测模型。经瀑布沟高心墙堆石坝坝体原观变形资料分析表明,垂直、水平位移物理成因模型和空间插值模型能较好地模拟和反映测点变形趋势,精度较高。模型实现了基于监测序列的高心墙堆石坝整体变形的3维预测,较好地描述了大坝3维变形趋势,对相关工程具有一定的应用和推广价值。

高心墙堆石坝坝坡加筋抗震稳定分析

目前强震区高土石坝抗震设计普遍采用加筋技术加固坝顶堆石,但加筋的效果如何评价是工程设计者关心的重要问题。传统的基于极限平衡的拟静力法无法反映坝体的动力特性及地震输入特性,得到的安全系数也不反映加筋坝体抗震的安全度。采用改进的Newmark滑块位移法对加筋堆石改善高坝坝坡的抗震稳定性,限制高土石坝地震变形等的工程效果进行了研究和探讨。计算中,首先依据堆石体和加筋堆石体的应力应变关系曲线得筋材与堆石的协调极限应变,进而确定筋材所能发挥的极限抗拉强度,利用瑞典-荷兰法结合蚁群复合形法搜索堆石加筋复合体潜在滑动体的位置,考虑竖向地震以及筋材与堆石的相互作用对滑动体屈服加速度的影响,改进了Newmark滑块位移法。结果表明,加筋减少地震变形最高可达80%,可有效地限制高土石坝坝顶的侧向滑动变形,提高坝体的抗震稳定性。

堆石坝心墙内增设加固防渗墙的结构特性研究

某高心墙堆石坝的心墙发生渗漏后,设计人员考虑在心墙内沿坝轴线方向增设一道塑性混凝土防渗墙进行防渗加固。对加固后的坝体及防渗墙进行了三维有限元计算,分析实际加固施工和蓄水过程中坝体及防渗墙的应力应变特性以及墙体与相邻土料的变形协调情况。计算结果表明,水位变化使防渗墙产生顺河向水平挠度,是引起坝体及防渗墙变形的主要原因,但对坝体的应力影响不大;坝轴线中部的防渗墙是薄弱环节,设计时应加强其抗弯性能;防渗墙与相邻心墙土料的相对位移值在允许范围内。

高堆石坝心墙渗流特性离心模型试验研究

高土石坝在施工期心墙会产生超静孔隙水压力,且难以有效消散,蓄水后心墙从非稳定渗流状态到稳定渗流状态,因此,渗流特性异常复杂。目前,有限元方法进行渗流计算不能考虑施工期引起的孔隙水压力,因而不能完全了解土石坝的渗流特性。长河坝为砾石土心墙堆石坝,最大坝高为240 m。利用离心模型试验技术,通过分析长河坝施工期和运行期心墙的孔隙水压力的产生和消散变化规律研究大坝心墙的渗流特性。试验结果表明,心墙孔隙水压力经历施工时的增长期、竣工后的消散期、非稳定渗流时的增长期和消散期、稳定渗流时的稳定期5个阶段。心墙高程不同、填筑含水率不同,各阶段的孔隙水压力和历时也不同。心墙位置越高或填筑含水率越大,施工期孔隙水压力系数越大,形成稳定渗流所需时间越短。心墙位置越高或填筑含水率越小,心墙位势越大,非稳定渗流期心墙位势大于稳定渗流期。研究成果对高心墙堆石坝设计和施工具有指导意义。

高心墙堆石坝的动力反应及加固极限抗震能力研究

通过对高心墙堆石坝动力反应和永久变形的计算分析,研究了高心墙堆石坝的抗震加固措施和加固效果,分析了加筋后大坝的抗震极限能力。结果表明:采用弹塑性动力计算方法对高心墙堆石坝进行动力反应分析是可行的;地震强度越大,坝体内的动剪应力和动剪应变越大,从而造成坝体的动力反应越大,坝体的永久变形越大;坝体在地震中的沉陷比水平位移大,地震变形形式主要是震陷,坝高1/5以上和河谷对应的坝顶部位是变形较大的区域;采取加筋加固措施后,坝体的竖向位移明显降低;从永久变形和稳定的角度初步分析了加筋后的大坝比原坝的极限抗震能力提高了0.05g。

高心墙堆石坝地震反应复合模型研究

高土石坝抗震分析得到国内外学者的极大关注。采用土工离心机振动台模型试验和动力数值模拟技术相结合的复合模型方法来研究高心墙堆石坝地震反应特性。首先对不等比尺的离心模型试验结果进行数值模拟,以验证数值计算模型和确定计算参数,然后用数值方法对离心模型试验结果进行拓展和外延,推广到等比尺和原型情况。对比分析了高心墙堆石坝地震加速度放大系数、地震残余变形、防渗墙动应力和破坏模式。计算值与试验值变化规律一致,表明复合模型是研究高心墙堆石坝地震反应特性一种行之有效的方法,(40～50)g离心机振动台模型试验基本上可以反映高土石坝的地震反应特性。

高心墙堆石坝坝面碾压施工仿真理论与应用

在对高心墙堆石坝坝面碾压系统进行全面分析的基础上,提出了以填筑单元为仿真单位的碾压施工仿真理论,建立了能够反映碾压过程中不确定因素的精细化仿真模型,保证仿真贴近实际施工。研究成果在糯扎渡心墙堆石坝工程的填筑单元中得到了应用,验证了方法的可靠性,对于大坝现场碾压施工具有指导意义,为工程进度控制和管理提供了技术支持。

考虑高寒低温影响的高心墙堆石坝仓面施工仿真模型研究

低温是影响高寒地区高心墙堆石坝施工的关键因素。然而,目前堆石坝施工仿真主要采用工程经验或者统计分析方法获得有效施工时长等参数从而间接反映气温对施工过程的影响,难以准确量化因高寒低温停工导致的施工进度滞后的影响,且缺乏考虑高寒施工环境下的保温工序,无法满足仓面施工仿真的精细化需求。针对以上问题,本文提出一个考虑高寒低温影响的高心墙堆石坝仓面施工仿真模型。首先,提出基于粒子群优化多层感知机(Particle Swarm Optimization-Muti Layer Perception,PSOMLP)的气温时间序列预测方法,通过粒子群优化算法(PSO)优化多层感知机(MLP)的超参数,弥补传统最小梯度下降法训练MLP时超参数难以确定、训练效率低以及精度差的不足,并将其嵌入仓面仿真模型,以获取精确的低温停工时刻和时长。其次,利用自助抽样法(Bootstrap)获得揭膜和覆膜工序活动时长,进而构建同时考虑低温停工和新增工序影响下的高心墙堆石坝仓面施工仿真模型。工程应用表明,相比于实际施工进度,传统仿真模型平均误差为19.74%,提出的仿真模型平均误差仅为1.21%,证明所提出的方法能够有效量化低温停工时长和新增工序对施工进度的影响,为高寒地区高心墙堆石坝施工进度分析提供了新手段。