锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明,(1)锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;(2)卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;(3)卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;(4)无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;(5)岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。

水利水电工程岩基抗剪强度参数二维分布模型构造的Copula方法

基于国内103个水利水电工程1 174组岩基抗剪强度试验数据,采用Copula函数研究岩基抗剪强度参数联合分布模型,探讨水利水电工程中岩基抗剪强度参数联合分布模型构建方法。利用最小二乘法求出岩基抗剪强度参数试验数据的相关统计参数,基于AIC准则识别出岩基抗剪强度参数边缘分布。选择4种Copula函数构造岩基抗剪强度参数二维分布模型,探讨了基于Copula函数的岩基抗剪强度参数二维分布模型的优越性。结果表明:水利水电工程岩基抗剪强度参数存在明显的统计负相关性。Copula方法能够构造具有任意边缘分布和任意相关结构的岩基抗剪强度参数联合分布模型,它为构造抗剪强度参数联合分布模型提供了一种简便的工具。已知岩基抗剪强度参数的边缘分布函数和相关系数不能唯一确定岩基抗剪强度参数的联合概率分布模型,在抗剪强度参数边缘分布函数和相关系数完全相同的前提下,不同Copula函数建立的抗剪强度参数联合概率分布模型差异显著。与常用的抗剪强度参数二维正态分布模型相比,基于Copula函数的抗剪强度参数二维分布模型具有较强的灵活性,它能更好地拟合原始观测数据。水利水电工程中惯用小值平均法确定标准值,当摩擦系数取较小值时,不同Copula函数构造的黏聚力的条件累积分布函数差异显著,这将对抗剪强度参数标准值的选取以及相应的设计方案具有明显的影响。

向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验研究

向家坝水电站是金沙江流域水利资源梯级开发的最后一级水电站,坝基岩体抗剪强度参数对工程设计、施工等方面有重要意义。向家坝水电站坝基岩体地质条件复杂,并发育有多条软弱夹层,如何快速准确地对岩体抗剪强度参数进行评价至关重要。本文介绍了从美国引进的适用于中软岩-软岩体的新型岩体抗剪强度检测设备,利用工程前期地质勘探钻孔进行岩体剪切试验,可以十分方便快捷地得到岩体抗剪强度参数,并且利用该设备得到的试验数据具有很高的线性相关关系。通过在向家坝水电站坝基岩体中进行的几组钻孔剪切试验,详细介绍了使用该设备得到岩体抗剪强度参数的方法,验证了该设备的工程适用性。

平班水电站国道改建边坡稳定性评价研究

由于平班水电站的建设导致盘百公路改道,改道后的国道边坡紧邻水电站进水口,其中一段中部坡体于2002年5月发生了滑动,因此,国道改建边坡的稳定性对平班水电站的安全运行具有重要影响。本文根据已滑边坡的信息,利用稳定性试算结果对边坡岩体的力学参数进行反复试算和校核,得出符合边坡实际状态的力学参数,并利用该参数对该边坡上段进行了稳定性计算,指出现有的加固措施尚不能满足安全要求;同时,根据计算结果对该边坡提出具体加固措施。毗邻该边坡的进水口边坡利用上述研究成果进行了稳定性和加固力的计算,并根据计算结果设计加固和施工方案,目前,该边坡的稳定状况良好。

岩土工程研究的探索与实践

介绍了中国水利水电科学研究院岩土工程研究所50年来主要科研领域的发展变化,以及在科学研究和技术开发方面取得的主要成果,内容包括土力学及工程、岩石力学与工程、土工抗震、渗流控制、土工离心模型试验、爆破工程、燃煤电厂灰渣性质及其贮放技术等。同时提出了岩土工程研究所在今后一段时期内的重点科研方向。

强降雨对库岸堆积体边坡稳定性影响的离心模型试验和数值模拟研究

堆积体广泛分布于我国西南大江大河的河谷地带,在降雨条件下其稳定性直接关系到大坝的安全稳定。设计了水库库岸堆积体边坡强降雨离心模型试验系统,开展了强降雨诱发库岸堆积体边坡失稳离心模型试验,对降雨作用下滑坡地质演化及灾变过程进行研究。基于试验结果,进一步开展数值模拟研究,分析了满库容不同降雨强度下强降雨对不同库水位及堆积体渗透性的边坡稳定性影响。结果表明:水库蓄水阶段堆积体边坡前缘在浮托力和泡水软化作用下造成抗滑力下降。但指向坡体内的渗透压力对坡体起到加固作用。两种竞争机制作用下产生的后缘细微裂缝对降雨阶段边坡变形发展产生重要影响。降雨主要造成坡表侵蚀及径流,少部分从裂缝入渗造成后缘浅层下沉。若不加处理,则边坡有可能发生推移式整体破坏。因此,库岸堆积体边坡后缘裂缝的处置是地质灾害防治的关键。

压缩分散型锚索在软弱岩土中的应用与试验研究

随着预应力锚索在国内外的广泛应用和发展,压缩分散型锚索作为一种全新的预应力锚固结构形式,由于其自身的特点,具有独特的受力机理和优越性,得到了工程界的普遍认可。对于岩土体软弱或岩土质复杂的工程,锚固力不足是其最大的问题。压缩分散型锚索锚固段混凝土承载压力而不是拉力,充分利用了浆体的抗压性能,并通过在锚固段设置若干承载体,达到将内锚固段受力分散的作用,从而有效提高锚固效果。本文将这一新型的锚索结构应用于软弱岩土锚固工程,并就锚索施工工艺及影响因素进行了一系列的现场试验研究,提出了压缩分散型锚索设计与施工方面的建议。

机场跑道“锅盖效应”防治机理研究

地表覆盖层使土体表面蒸发效应受阻,引起水汽在不透气的覆盖层下集聚,进而引起一系列的工程病害的现象被称为“锅盖效应”。“锅盖效应”会导致水在浅层土体中积聚,最终诱发机场跑道道基灾害。基于锅盖效应水汽迁移量计算方法,建立计算模型,对不同条件下的“锅盖效应”防治效果进行分析。基于计算结果,认为在土体中铺设隔断层会抑制“锅盖效应”,透气性能越强的隔断层起到的抑制效果越弱,隔断层最优铺设位置为最大冻结深度位置。基于土体透气性对水汽迁移的影响规律,开展理论分析,认为在有效范围内,含水率、干密度的增大会使土体透气性下降,抑制土体水汽迁移速率,进而抑制“锅盖效应”的产生。以上研究结论对于选取隔断层材料、确定隔断层埋深位置具有一定的参考价值,同时可为寒区机场跑道冻害的防治提供思路。

面板堆石坝振动模型试验及动力分析研究

本文对混凝土面板堆石坝振动台模型试验及动力分析研究的有关成果及存在问题进行了分析和评述 ,报导了我国“九五”国家重点科技攻关专题“强震区面板坝大型振动台模型试验及动力分析”研究中所取得的主要成果和进展 :(1)进行了大量面板坝振动模型试验 ,考虑了模型设计中的多项影响因素 ,研究了各项因素对试验结果的影响 ,得到了模型坝的各项地震反应性状 :(2 )研制了面板坝三维有效应力非线性动力分析方法和计算程序 ,并通过模型试验进行了验证 ;(3)采用割线模量的概念统一静、动力反应和地震残余变形分析 ,开发了等效线性动、静力耦合计算方法和程序 ;(4 )采用等效线性方法对不同模型坝和不同试验方案进行了地震动力反应分析 ,将计算结果与模型试验结果相对比 ,验证和改进了等效线性分析方法 :(5 )根据静、动力特性试验结果 ,探讨了小变形下高、低应力状态土石料应力 -应变关系存在相似性 ,并推导了大型振动台模型试验的相似律 ;(6 )将经过模型试验验证和改进的方法及程序用于具体工程的抗震设计 ,得出了一些有理论和实际使用价值的结论 。

拉力集中全长黏结型锚索长期耐久性研究

拉力集中全长黏结型锚索曾在我国重大水电工程中得到广泛应用,针对这些用作永久支护的锚索工程使用寿命以及是否会有一天成为工程的"定时炸弹"的问题,通过现场开挖一根在漫湾水电站左岸边坡服役20 a的锚索,对这一问题进行初步讨论。结合开挖试验成果,从锚头锈蚀特征、钢绞线缩进量、水泥砂浆防锈效果、内锚固段特征以及钢绞线化学和力学性质变化等方面,对拉力集中全长黏结型锚索的长期运行效果进行综合评价。得到如下结论:(1)全长黏结型锚索对于锚头锚具的要求较低,该工艺锚索在任何一个位置发生损坏断裂后,都将不至于由于一处的损坏而导致锚固工程整体的破坏;全长黏结可以有效地阻止锚索失效链条的进一步发展;(2)水泥砂浆可以起到很好的防锈效果,但对于锚头位置仅采用混凝土浇筑的防锈工艺并不能达到理想的效果;(3)开挖锚索内锚固段未发现任何横向裂纹,证明在适当的预应力范围内水泥砂浆可以达到较好的锚固效果;(4)开挖锚索服役20 a后,钢绞线的化学成分和力学性质均未发生明显变化。

3D裂隙网络随机模拟及其工程应用研究

岩体中存在的大量随机分布的裂隙对岩体的工程性质及稳定性有着极其重要的影响。传统的工程地质研究方法难以客观地描述其空间分布特征。应用概率与统计学的理论 ,通过统计分析得到裂隙的分布规律性 ,采用随机模拟的方法实现与统计分布相适应的裂隙网络是研究随机裂隙宏观特征的有效途径。通过模拟所得的 3D裂隙网络 。

基于围压柔性加载的土石混合体大型三轴试验离散元模拟研究

综合运用计算机三维扫描与随机模拟技术,建立了不同块石含量和空间分布的土石混合体三维随机细观结构模型和离散元模型,考虑围压柔性加载,基于柔性黏结颗粒膜方法,采用颗粒流程序对不同土石混合体试样进行了不同围压下的大型离散元三轴试验模拟,研究了块石含量和空间分布对土石混合体力学特性和变形破坏规律的影响。数值模拟结果表明:土石混合体的强度和抵抗变形的能力随含量和围压的增大而增强,且在相同含石量下,受内部块石空间分布的影响,试样的内摩擦角和黏聚力虽会表现出一定的离散性,但总体上,内摩擦角随着含石量增加基本呈线性增加,而黏聚力却随着含石量增加逐渐减小;在围压柔性加载下,土石混合体试样表现为鼓胀变形破坏,破坏后形成的剪切带为一个曲折条带,形态上呈非对称的X形分布,厚度约为试样高度的1/3~1/2倍,且试样的破坏形态及内部剪切带大小和分布形态不仅受块石含量和空间分布影响,而且也取决于围压大小;土石混合体试样在破坏过程中内部剪切带的形成是伴随局部颗粒的转动开始的,在应变到达峰值应变时,局部发生转动的颗粒相互连接贯通,此时剪切带已基本形成,此后随着应变继续增加,受峰后鼓胀变形的影响,试样内部颗粒的转动仍会发生一定的变化,同时伴随着剪切带大小和分布形态也发生相应的变化。

两河口高土石坝动力特性振动台模型试验研究

土石坝坝体自身的动力特性,是土石坝在地震动作用下动力响应性状的重要影响因素。本文通过大型振动台模型试验,研究了两河口高土石坝缩尺模型坝的动力特性及其相关影响规律,并根据相似率,用模型坝的动力特性参数推算出原型高土石坝的相应动力特性参数。试验研究表明:在特定的地震动作用下,大坝结构的振型基本稳定;坝体的自振频率、阻尼比和振型系数等动力特性参数受振动强度、振动历史和水库是否蓄水等因素影响。

土石混合体三维细观结构随机重构及其力学特性颗粒流数值模拟研究

土石混合体是一种非连续、非均质、各向异性的土石混合多相介质,其力学性质极为复杂,与内部土石细观结构密切相关。从细观结构层次出发,运用计算机随机模拟技术,建立了一种基于不规则块石的土石混合体三维细观结构重构方法,并基于FORTRAN语言开发了相应的三维细观结构随机模拟系统(RMS3D),在此基础上,考虑块石的不规则形状,建立了土石混合体的离散元模型,并采用颗粒流程序对其开展了不同法向应力下三维直剪试验模拟,探究了块石空间分布对其力学特性的影响。研究结果表明:土石混合体的力学性质受内部块石空间分布影响显著,在相同级配和含石量下,不同块石空间分布的土石混合体试样的剪应力–剪切位移曲线和法向位移–剪切位移曲线均不相同,尤其是在峰后呈现出了明显的差异,且后者开始出现差异时相对于前者滞后;另外,受剪切面上块石阻碍的影响,由于试样内部块石空间石分布的不同,导致不同试样剪切破坏后所形成的剪切带的形态和厚度也存在一定的差异。

肖家桥滑坡堵江机制及灾害链效应研究

地震是滑坡灾害的一个重要触发因素,而这类形式的滑坡通常体积较大。以肖家桥滑坡为例,在对滑坡区进行详细的地质调查基础上,结合动力有限元分析技术,再现滑坡三维空间失稳过程。在此基础上,提出肖家桥滑坡形成及堵江的4个阶段:地震触发及岩体的累进破坏→滑体破坏、高速下滑→撞击解体、堵江形成堰塞体→震动密实。通过对堰塞体结构特征及不同工况下堰塞体的稳定性分析的成果表明:堰塞体边坡在天然状态下稳定性较好,当再次发生强地震时可能会发生局部的坍塌;最可能的破坏方式为"漫顶式"逐级冲刷破坏,由于其内部岩体结构相对较为完整,发生管涌及整体破坏的可能性较小。

近区锚喷结构的爆破振动特性研究

选用水泥砂浆和玻璃钢分别模拟岩石和锚杆,浇筑2.5 m×1.8 m×2.1 m尺寸的岩体模型,通过模型试验研究近区锚喷结构在掏槽爆破作用下的振动特性。利用测试锚杆测得不同设置情况锚杆上的应变波。试验结果表明,端锚锚杆中部锚固段与锚杆尾部自由段测得的振动波形和变形形式完全不同,中部锚固段振动幅值稍大;在不设置喷层和预应力时,尾部自由段的应变波规律性更强,且持续时间长;随着离爆源距离的增加,锚杆的振动频率和幅值衰减明显,但振动持续时间则稍有增长;通过小波变化的时频方法分析应变波的能量,临近工作面锚杆的振动能量大,但能量分布分散,振动时间有限,稍远的锚杆虽振动能量小,但能量集中,持续时间长;两种不同能量对锚喷结构产生不同的损坏模式。试验和实践发现,爆破容易造成附近喷层的损坏和锚杆的失效,钢纤维混凝土可增加喷层的抗动载性能,调整支护工艺也是减小爆破影响的有效方法。

小浪底大坝心墙中高孔隙水压力的研究

土石坝的施工会在大坝心墙和地基中产生超静孔隙水压力。对于高土石坝,施工期心墙防渗体内产生的超静孔隙水压力难以有效消散,因此坝体内部可能会出现较高的孔隙水压力,这对大坝的稳定性和安全性将产生重要影响。黄河小浪底大坝坝高154m,是目前国内已建最高的心墙土石坝。本文利用基于Biot理论和剑桥模型的有限元固结程序对该大坝进行了二维平面应变固结分析,计算施工期及坝体竣工后心墙内的孔隙水压力。计算发现,坝体竣工时心墙中将出现较高的孔隙水压力,最大值为1250kPa,是上覆盖土重的62 5%,长期的观测资料也发现心墙内的孔隙水压力比较高。对比实测数据和有限元计算结果,发现小浪底心墙中出现最大的孔隙水压力可达1400kPa,而且实测消散速度要远小于有限元预测结果。这一结果充分说明高土石坝中可能产生较高的孔隙水压力,对此应予以足够的重视。

沟后面板砂砾石坝溃坝机理模型试验研究

本文通过模型试验揭示了有关沟后面板砂砾石坝溃坝的原因．单纯是面板顶端接缝漏水只出现垂直向下的渗流，上部下游坝坡没有逸出水流．接缝漏水同时面板顶端与坝体之间大范围的相脱开，才会再现上部下游坝坡逸出渗流．溃坝前坝体中部并未全饱和．溃坝机理是坝顶存在ｋ＞１０ｃｍ／ｓ且呈上下游连通的极强透水层，面板顶端又是脱开坝体的，接缝漏水使极强透水层与库水直接相连通，因而产生较大的水平向的水力比降，使之管涌和接触冲刷，同时渗流冲刷坝坡，引起崩塌．最后防浪墙失稳倒塌，库水漫顶而下，最终溃决．

土–石混合体随机细观结构生成系统的研发及其细观结构力学数值试验研究

土–石混合体的细观结构特征在很大程度上影响了其在外力作用下的细观损伤演变机制及所表现的宏观力学行为。从土–石混合体的细观结构特征出发,开展一系列相关细观力学特征研究工作,将对于深化土–石混合体力学理论研究体系具有重要的意义。运用统计学、几何学、随机模拟等多学科交叉技术,开发基于任意凸多边形及椭圆形块石的土–石混合体细观结构随机生成系统——R-SRM2D。基于R-SRM2D,从土–石混合体的含石量、粒度组成、块体空间分布及土–石界面类型等特征的差异性出发,运用数值试验的方法研究土–石混合体细观结构的差异与其细观损伤机制及宏观力学行为的关系。在理论上取得一些有意义的研究成果:随着含石量的增加,土–石混合体弹性模量及单轴抗压强度呈上升趋势;在含石量一定的条件下,试样的宏观强度随着块石粒度维数的增加而略有降低;当块石长轴与主压力轴近于正交或平行时,其抗压强度最大;当块石长轴与主压力轴成(45°-?s/2)时,其抗压强度最小;土–石界面的胶结使得土–石混合体的宏观强度发生明显的改善,其单轴抗压强度增加约1倍。