国际水电工程地质勘察实践探讨

作为国际水电工程勘测设计的主要基础性资料,地质勘察成果的国际工程咨询审批进度往往对工程进度甚至成本有较大影响。在总结对标研究工作成果、中国水电技术标准“走出去”之工程测量与地质勘察篇研究成果的基础上,结合国际水电工程地质勘察实践,对地震参数确定、坝基岩体力学参数确定、边坡稳定分析、洞室围岩分类及支护建议等关键技术问题进行了初步分析,总结了中外技术标准的主要差异,初步提出了探讨性的对策及建议,可供业内人士参考。

特高拱坝基础破坏、加固与稳定关键问题研究

特高拱坝的坝基条件大都比较复杂,基础岩体的破坏、加固与稳定评价出现一些关键新问题:坝基岩体力学参数合理取值;坝踵、坝趾基础开裂机制;坝肩非典型软弱蚀变带的处理;贴角区灌浆时机选择;坝趾锚固力损失评价以及大坝-基础非线性稳定分析等。传统的分析方法和加固处理措施日益受到挑战。结合实际工程,就如上问题涉及的研究方法、处理措施进行抛砖引玉的讨论和分析。针对这些新问题,无论数值模拟还是物理试验,都应该采用细宏观尺度的转变方法,并作为非线性方法的理论基础,进一步完善发展,以更好地指导实际工程的优化设计和建设。

小湾拱坝坝肩稳定的弹粘塑性块体理论分析

综合运用岩石块体的自动识别方法、岩体网络无压渗流分析方法和弹粘塑性块体理论 ,成功地分析了小湾拱坝坝肩岩体的渗流场和应力场 ,得出了坝肩岩体变形与屈服区分布规律以及稳定安全度评价 .结果表明 ,弹粘塑性块体理论作为一个比较完善的系统 ,不仅前处理简单 ,计算精度高 ,而且能模拟复杂的地形地质条件 。

溪洛渡拱坝施工期岩体质量评价与大坝稳定分析

以溪洛渡工程为例,通过施工期声波试验和变形监测手段,采用分区、分段、分层、分级对标验收评价思想,对溪洛渡拱坝建基面岩体质量进行重新评价验收。采用非线性有限元方法,对施工期典型阶段的大坝基础整体稳定工作状态进行三维数值精细模拟,分析结果与现场变形和压应力的监测值进行对比反馈,得到大坝施工期的整体稳定工作状态,预测大坝运行期的工作性态,从而指导大坝的现场施工。该岩体质量评价验收新思想对同类工程具有指导意义。

高坝坝基挤压蚀变破碎带处理措施三维数值分析

挤压蚀变破碎带是水电站坝基的主要工程地质问题。基于重力坝坝体与坝基岩体联合作用的数值模拟，分析了某水电站挤压蚀变破碎带C23对坝体应力和变形的影响。在对多种加固处理措施比较的基础上，提出了建议方案，说明了处理方案对拉应力的控制效果。进而，就建议方案所对应的数值模型，对C23带进行了浮值分析，用强度储备系数法计算了受C23带影响的坝基安全稳定性，检验了加固措施的合理性。研究结果，建议采取的坝体上游不贴角措施、C23带倾斜开挖置换5m、下游坝趾填角3—5m方案可以有效控制由于C23带不均匀沉降引起坝趾区的拉应力，使拉应力范围大大缩小的同时使得拉应力值降低至处理前的1／3以下。强度储备系数法得出正常荷载组合下各坝段安全储备系数均不低于2．5，重力坝的安全稳定性有充足的裕度。建议处理方案同时满足拉应力控制及稳定性要求。

高拱坝坝肩裂隙岩体的三维非线性抗震稳定性分析

在高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性分析中 ,采用传统刚体极限平衡法分析坝肩裂隙岩体潜在滑体的安全性态 ,坝肩稳定性评价未考虑裂隙岩体变形对坝体应力的影响 ,由此计算的抗滑安全系数并不能保证坝体的安全性 ;而采用基于连续介质理论的有限元法和基于碎散介质的离散单元法分析时 ,其物理数学模型和坝肩岩体的实际情况相距甚远。为此 ,本文在安全系数强度储备概念基础上提出了动抗滑变形安全系数法 ,该方法以坝体拉应力作为坝肩岩体抗滑稳定性评价标准 ,综合考虑非线性坝体和坝基节理、裂隙岩体的动静态耦合作用 ,坝肩岩体的抗滑安全系数保证了坝体的安全 ,较传统的分析方法更为科学、合理。采用该方法 ,本文将坝肩裂隙岩体作为可以考虑局部开裂、各向异性和大变形的非线性连续体用动态接触单元模型模拟 ,对在建的小湾高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性进行了三维动力分析。数值分析结果表明 ,在综合考虑坝体应力影响后 ,坝肩裂隙岩体的变形安全系数小于强度安全系数。因此 ,在高拱坝坝肩岩体的抗震稳定性评价中必须计及坝体应力的影响因素。

拱坝坝肩含断续节理岩体破坏机理研究

结合金沙江溪洛渡高拱坝坝肩岩体断续节理的特点,采用模型试验研究方法,根据断裂力学理论模拟了含断续节理岩体抗剪强度的相似性,研究了坝肩岩体的破坏过程,破坏形态和破坏机理。

鱼简河拱坝坝肩岩体稳定性分析

鱼简河拱坝坝肩岩体内断层、节理及软弱夹层发育,存在安全隐患。首先,在现场勘察和室内外试验的基础上,确定右坝肩1 034 m高程以上块体为最危险块体;然后,采用极限平衡法和三维有限单元法对此块体分别进行稳定性计算,极限平衡法计算所得块体在校核工况下稳定性系数为2.0,有限单元法计算所得块体在相应工况下稳定性系数为3.0,两者存在较大差异,故从物理和力学模型上对差异产生的原因进行了分析,发现有限单元法因屈服准则选取不合适导致稳定性系数计算结果偏高,而极限平衡法因夸大了拱端作用力导致稳定性系数计算结果偏低;最后,综合确定块体稳定性系数为2.4,未达到规范要求,建议对右坝肩1 034 m高程以上块体采取相应的治理措施。

含深卸荷岩体拱坝坝肩变形特性及稳定分析

叶巴滩拱坝作为混凝土双曲拱坝,坝高达到217 m,坝址区断层、挤压破碎带密布交错,且两坝肩在各高程范围均有深卸荷岩体分布,特别是在2 750 m高程,左右坝肩均存在强烈松弛岩体,由于其自身强度较低,可压缩性较强,对工程的稳定安全存在较大影响。针对上述问题,本文以地质力学模型试验为研究方法,对含深卸荷岩体的坝肩稳定及变形特性开展研究。首先建立叶巴滩拱坝2 750 m高程平面地质力学模型,通过超载法试验获得坝体变位和应变、坝肩及抗力体变位分布规律以及模型破坏过程和失稳形态等,数据分析得到起裂超载安全系数K1为1.6～1.8、非线性变形超载安全系数K2为2.4～2.6、极限超载安全系数K3为3.8～4.2,揭示了深卸荷岩体变形特性及对拱坝工作性态的影响。对试验数据的综合分析得出,在叶巴滩拱坝2 750 m高程中,左岸松弛带Ⅳs类岩体距离拱端更近,变形较右岸更大,对变位、荷载的传递具有更加明显的衰减作用,对工程稳定安全的不利影响作用显著。

大型反倾库岸岩体变形过程及破坏机制数值模拟

随着边坡地质结构、地层岩性和诱发因素的不同,反倾岩体的主控变形破坏模式都会发生改变。金沙江龙蟠边坡岩体主要为反倾向千板岩和砂岩互层状结构,坡脚河床深厚覆盖层构成了边坡的软弱支座。本文运用离散单元法模拟了大型反倾库岸岩体在漫长的地质历史时期中的变形演化过程,并基于反倾岩体变形的时效性观点,引入强度折减法分析边坡在不同阶段的剪切屈服区扩展情况及相应的稳定性状态。结论表明龙蟠边坡变形岩体是重力弯曲蠕变为主导的成因机制,并归纳提出了软基效应和互层效应共同作用下的大规模反倾岩体的累进性剪切破坏模式,俗称"龙蟠模式"。

拱坝有缝坝体-坝基系统的非线性抗震分析

本文将坝体和坝肩裂隙岩体作为允许局部开裂和大变形的非线性连续体,用动态接触单元模型进行概化模拟,对小湾高拱坝坝体-坝基系统在高水位运行期遇设计地震荷载作用时的动力反应进行了非线性数值计算,研究了横缝对坝体应力、变形的影响,并对坝肩裂隙岩体的抗震稳定进行了分析评价,数值分析表明:横缝对拱坝坝体的应力和变形影响显著,坝肩潜在滑面的开裂和滑移导致坝体应力增大,坝体的抗震安全性降低,但在运行期高水位遇设计地震荷载时坝体和坝肩裂隙岩体整体稳定。

拱坝坝肩稳定的可靠度分析

当拱坝坝肩岩体为断层、节理裂隙、层面等结构面所围成,有可能产生滑移时,就应进行整体抗滑稳定分析。文章在考虑滑移体的构成、滑动的形式、滑动面抗剪断强度参数等的随机性的基础上,使用可靠度理论,对拱坝坝肩抗滑稳定可靠度进行分析;以某拟建拱坝为算例,计算结果是比较理想的。

基于承压板试验的岩体蠕变参数反演统一解析公式法

由于岩体性状的复杂性和多样性,现场试验是进行岩石力学研究的重要手段。以往的现场承压板试验,由于试验条件的限制,试验荷载的设定将使岩体蠕变呈衰减蠕变形态,却难以反映岩体的等速蠕变和加速蠕变。坝基软弱岩体的力学特性是影响大坝及地下结构长期稳定性的重要因素。通过对坝基软弱岩体现场承压板试验曲线中表现出的衰减蠕变和等速蠕变两阶段特性,辨识了蠕变模型。并推导了刚、柔性承压板深部岩体的黏弹性一般解,给出了Maxwell模型、广义Kelvin模型、Burgers模型的黏弹性位移的统一表达式。结合试验数据,以理论解析反演法得到相关的蠕变参数,为以后的坝基长期稳定性计算奠定基础。

岩体工程结构的稳定性

首先讲述岩体结构与稳定的意义,其次叙述结构的稳定及求取极限荷载的方法,进而论述岩土稳定的基本问题、岩土材料本构关系及结构的正定问题。结合岩土结构稳定的有限元方法、非线性稳定分析的能量判据、有限元分析多余力加固方法以及结构稳定势能原理等,认为对复杂结构至今缺乏理论解及数值方面的精确解。给出结构的极限荷载求法,并区别结构失稳和材料失稳的不同;应用有限元法求解结构的极限荷载时,指出一般结构的极限荷载可以求得"上下限"的解析算法,但是对于复杂结构,特别是高拱坝结构,对其求得极限荷载则有待于采用非线性有限元法进一步求解。据此,着重介绍有限元求解结构稳定的方法,阐述结构稳定的能量原理;结合水利高坝工程,将这些理论与实际工程相结合,表明其工程应用的合理性。综述地质力学模型试验结果,并将试验超载极限稳定系数和计算结果加以对比分析,使之在实际工程中得到验证,并将其引入相关设计规范。研究结果表明,经使用上述方法进行工程计算并结合试验论证,中国高坝工程的安全稳定已得到初步验证。

高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析综述

高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析是高拱坝抗震研究的主要内容之一。从高拱坝的抗震设防标准及动力稳定安全判定准则、坝肩岩体的结构和动力特性、坝肩岩体动力稳定性分析的刚体极限平衡法、离散元法、刚体弹簧元法、拉格朗日不连续变形分析方 法、数值流形方法等方面对高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析的理论和方法进行系统的归纳和总结,并介绍了各方面的最新进展。可 以看出,为满足高拱坝建设实践的需要,应对高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析的理论和方法进行更深入的研究。

拱坝坝肩岩体动力稳定性分析研究方法简述

高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析是高拱坝抗震研究的主要内容之一。从高拱坝的抗震设防标准及动力稳定安全判定准则、坝肩岩体的结构和动力特性、坝肩岩体动力稳定性分析的刚体极限平衡法、离散元法、刚体弹簧元法、拉格朗日不连续变形分析方法、数值流形方法、随机理论与方法等方面对高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析的理论和方法进行系统的归纳和总结,并介绍了各方面的最新进展。可以看出,为满足高拱坝建设实践的需要,应对高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析的理论和方法进行更深入的研究。

层状坝基岩体的渗流机理及其深层抗滑稳定分析

提出了对层状坝基岩体的渗流可按非连续介质模型进行分析的结论 ,建立了对层状坝基岩体的深层抗滑稳定进行渗流场与应力场耦合分析的数学模型及其数值方法。结果表明 ,所建立的模型和方法 ,具有对层状坝基岩体渗流的考虑更为合理 ,分析计算的结果更为准确等特点 。

挤压带岩体特性及其对重力坝抗滑稳定性的影响

为分析坝基岩体挤压破碎带力学特性及其对重力坝抗滑稳定的影响,根据岩体微观测试、力学试验成果,建立了有限元数值模型,采用强度折减法研究了正常蓄水位条件下的坝体力学特性。研究结果表明,挤压带岩体结构松散,晶体结构以黏土矿物为主,具有很强的亲水性;饱和条件下,挤压带岩体抗剪强度大大低于非饱和条件下的强度;大坝蓄水后,坝基的潜在滑移模式表现为顺挤压带岩体的深层滑动,极限条件下的折减系数为2.37,小于规范要求,采用剪摩法计算时取值3.0。根据以上分析,建议重点对坝基挤压带岩体进行部分开挖置换和固结灌浆处理,同时做好防渗帷幕,降低水对挤压带岩体的弱化作用。

西部水利与土木建设中的岩土工程问题

伴随着西部大开发与"一带一路"政策的大力支持和推进,我国在西北地区投资和建设了大量的基础设施。在诸多工程的建设当中,涌现出越来越多的问题亟待分析和解决。针对西部水利与土木建设中的岩土工程问题,本文分别就以下六个问题进行了评述与展望:西部裂隙岩体动力学参数获取;地震作用下坝体动力稳定性问题;西部高陡岩体边坡的稳定性评价问题;长大隧道的快速安全施工的问题;西部交通建设中的冻土工程问题;西部基础建设中黄土高填方的稳定性与沉降变形问题。关于这六个问题的阐述,意在进行抛砖引玉式的探讨,引起当前岩土工程学者关注和重视。

断层带岩体变形模量对坝基稳定性影响

变形模量是表征断层带岩体力学性能的一个重要参数，而断层带岩体变形模量与其所处的环境有密切关系。以理论分析和现场试验为基础，以三维数值分析技术为主要研究手段，结合大型水电工程实例，对断层带岩体变形模量对坝基整体稳定性影响进行了分析研究。研究结果表明：大坝建成水库蓄水以后，在未受到库水渗透影响的前提条件下，位于坝基部位的断层带岩体变形模量会有一定程度的增大。断层带变形模量从0．6 GPa 一直增加到4．0 GPa，使得断层带岩体所在坝段关键点水平位移降低0．544～0．846 mm、垂直位移降低1．190～2．232 mm、最大拉应力降低0．06 MPa，有利于提高大坝的整体稳定性。