沥青混凝土心墙堆石坝心墙拱效应研究

心墙拱效应是影响土石坝安全稳定运行的重要因素,心墙力学特性复杂且受众多因素的影响,复杂地形地质条件对心墙拱效应具有重要影响。首先对比了直心墙、斜心墙、下直上斜式心墙拱效应的差异,在此基础上选取岸坡坡度、河谷宽度、覆盖层厚度以表征坝体所处的地形地质条件。基于数值计算定量研究复杂地质条件对沥青混凝土心墙拱效应的影响规律。结果表明:心墙应力拱效应主要集中在心墙中部3/4坝高附近及靠近岸坡处;斜心墙应力拱效应相对较小,可以很好地改善心墙的整体受力状况;岸坡变陡,斜心墙整体的拱效应强度增加,应力传递的核心区域由心墙中部拓宽至心墙两岸坡;随着河谷宽度的增加,应力传递的重心逐渐由底部转移到心墙两岸及心墙中上部;斜心墙整体的应力拱效应并非随着河谷宽度的增加单调变化,当坝轴线长度与坝高比值增加到3~4时,河谷产生的河谷效应对斜心墙变形及拱效应的影响大幅下降;随着覆盖层厚度的增加,斜心墙底部的拱效应明显增强,底部的拱效应系数分布逐渐集中化、区域化,容易产生局部破坏。

基于RUN-XGBoost算法的土石坝渗流预测模型

针对传统土石坝渗流预测模型存在局部最优、抗干扰性差和预测精度低等问题,通过RUN算法优化XGBoost算法得到RUN-XGBoost算法,构建了RUN-XGBoost模型以获得更优的土石坝渗流预测结果。该模型在种群初始化时采用RUN算法对XGBoost算法的3个主要参数进行改进,使预测结果有较高的有效性;通过自动寻找最优参数增进算法的整体收敛速度和预测精度,同时引入随机解,使算法能够排除局部最小值并继续搜索,从而获得全局最优结果。工程实例验证结果表明,RUN-XGBoost模型具有简洁、高效、预测精度高、鲁棒性强等优点。

融合时频空间特征的土石坝地震易损性分析改进MLP模型研究

针对现有地震易损性分析中采用的峰值加速度、峰值速度等地震动指标未能充分反映地震动复杂的时频空间特征,且现有基于对数空间线性函数关系假设的地震需求模型难以揭示地震动指标与地震响应间复杂非线性关系的问题,提出一种融合时频空间特征的土石坝地震易损性改进多层感知机(Multi Layer Perceptron,MLP)模型。该模型利用胶囊网络(Capsule Network,CapsNet)能够充分捕捉和表征目标特征空间位置分布的优势,从地震动小波时频图中提取反映地震动时频空间分布的深层特征,并以特征拼接的方式与既有特征进行融合,构建地震动融合指标;进一步地,采用树形Parzen优化算法(Tree structured Parzen Estimator,TPE)对MLP的神经元数量、学习率等超参数进行优化,提出基于TPE-MLP的土石坝地震需求模型,以反映地震动融合指标与地震响应间的复杂非线性关系,进而实现土石坝地震易损性的可靠分析。案例分析表明,相比于既有地震动指标,基于地震动时频空间特征融合指标的土石坝地震需求模型的MAE降低了40.5%,表明了所提模型的可靠性和优越性。

冻结作用下土石坝护坡土石混合体水分迁移试验研究

土石坝护坡冻胀破坏主要由护坡砂砾料垫层、坝体填土自身冻胀和水分迁移共同作用引起。针对寒区土石坝护坡普遍存在的隆起、错位、坍塌等冻胀破坏问题,以寒区某土石坝护坡工程砂砾料垫层、坝体填土为研究对象,采用自研的土石混合体水分迁移冻结模型试验装置系统,开展了补水条件下单向冻结模型试验研究,研究了温度、含石量、水分迁移对土石坝护坡土石混合体冻胀特性的影响。研究结果表明:温度、含石量对土石混合体的冻胀特性影响显著;水分迁移受土石含量、温度和含水率影响,护坡砂砾料垫层和坝体填土含水率越大,冻结过程中水分迁移量越大,水分相变成冰的条件越充分;土、石分层对黏土温度变化影响较大,黏土和砾石分层可有效减小水分迁移量和冻胀量,对土石坝护坡防冻胀是有利的;土石混合体内部孔隙水相变成冰并在试样内部形成分凝冰是冻胀量增加的主要原因,土石混合体原位冻胀以及冻结过程中分凝冰的生长使冻胀量不断增加,且补水量越大,试样冻胀量就越大;不同温度、含石量下试样的冻胀量均随补水量的增加而基本呈线性增大,且含石量对冻胀量增加速率影响较小,温度对冻胀量增加速率影响较显著。研究成果可为寒区土石坝护坡设计和运行管理提供科学依据和技术支撑,补充了碾压式土石坝设计规范中的护坡设计。

土石坝护坡冻胀破坏水-热-力耦合数值模拟研究

针对寒区土石坝护坡普遍存在的冻胀破坏问题,选取寒区某土石坝工程为研究对象,结合土石坝工程特点,建立考虑水-热-力耦合作用的有限元计算模型。研究护坡在库水位和坝体填土水分迁移作用下冻胀破坏全过程,分析土石坝温度场、水分场和位移场的变化规律,并将位移场有限元计算结果与实测冻胀变形资料进行对比,验证有限元计算结果。研究结果表明:冻胀作用对坝坡影响深度约为2 m,坝坡浅层0~2 m范围的温度变化受外界气温影响较大,坝体内部温度相对坝坡浅层变幅小,且有一定的滞后性;负温使坝坡浅层孔隙水相变成冰,宏观上表现为未冻水体积分数的降低,坝坡浅层土石混合体孔隙水相变、坝体填土内水分向坝坡迁移和冻结峰面向坝体内部移动是护坡冻胀破坏的主要因素;大坝坝坡计算冻胀量为20~30 cm,最大值为36 cm,计算结果与实测冻胀变形资料吻合;护坡冻胀破坏主要由砂砾料垫层、坝体填土等土石混合体冻胀及冰推力共同作用引起。研究结果可为寒区土石坝护坡设计提供参考。

近断层地震动作用下土石坝加速度分布研究

近断层地震动较远场地震动具有频率高、速度快、能量更加集中的特点,在短时间内会释放大量能量,对工程结构具有严重危害。规范提供的加速度分布系数不适用于高度超过150 m的大坝,随着技术不断进步,我国超过150 m的土石坝越来越多,规范已不能满足现有需求。基于中国台湾集集近断层地震动记录,建立随机脉冲型地震动模型,分别对高度为40 m、70 m、150 m和200 m的土石坝进行随机动力分析,研究坝体的动态分布系数。结果表明,近断层地震动的低频速度脉冲使坝体的加速度反应谱有较宽的敏感段,易覆盖坝体自振周期,显著增加坝体的加速度。该研究通过总结近断层区域土石坝的加速度分布规律,建议了近断层脉冲型地震动区域的土石坝坝体动态分布系数,为近断层高地震风险情况下土石坝的抗震理论和方法提供参考。

基于随机动力分析的高土石坝极限抗震能力研究

地震动的随机性对大坝的动力响应影响较大,极限抗震能力作为大坝抗震安全性能的重要环节,在评估过程中也应该充分考虑荷载随机性的影响。基于大量高土石坝随机动力有限元计算,探究坝顶震陷率和坝坡累计滑移量两个重要坝体变形指标之间的关系,并建议了土石坝安全控制标准。利用概率密度演化法对高土石坝进行极限抗震能力分析。结果表明:震陷率随着累计滑移量的增大而增大,二者之间符合逻辑斯蒂增长模型;取10%的超越概率,以250m规则高面板堆石坝和高心墙堆石坝为例,极限抗震能力分别为0.7g~0.75g和0.8g~0.85g;从概率角度提出了评估大坝极限抗震能力的新方法。

考虑土石坝坝基接触带性能演化的渗流稳定分析

为分析土石坝在渗流及变形长期作用下坝基接触带性能及变化规律,基于水力耦合的分析方法,以某水库工程不同时期得到的坝基和坝基接触带渗透系数,建立土石坝坝基接触带渗透性能与力学参数演化模型,把握坝体及坝基材料物理力学特性、渗透特性的演化规律,对水库长期处于正常蓄水位情况下的渗流场及应力场进行分析。研究表明,由于水流的长期渗流作用,导致坝基接触带中的土壤流失,渗透系数增大,进而导致通过坝坡面、两岸山体的渗漏量增大。考虑水力耦合对坝体变形稳定的影响,研究发现,在水库运行期间,坝基接触带的强度是不断降低的,接触带的屈服区增加,变形量不断增大,安全系数随运行时间的增加不断降低。

基于本体和自然语言处理的土石坝险情知识图谱构建方法研究

土石坝在运维阶段可能受施工质量低、极端环境灾害等因素的影响,从而发生滑坡、裂缝、洪水漫顶等一系列险情。现阶段与土石坝险情相关的大量数据存储分散、结构多样,难以直接转化为经验和知识得到有效利用,快速指导险情处置。本研究针对土石坝险情领域提出了基于本体和自然语言处理(NLP)的知识图谱(KG)构建方法,分别采用自顶向下与自底向上法,构建图谱的模式层和数据层。模式层围绕险情类型、险情原因、险情措施三大概念,从土石坝结构、过程、环境、材料4方面建立领域本体库,搭建KG的概念结构。数据层通过数据预处理、知识抽取、语义对齐等操作,运用NLP对文本进行处理并根据语料的特征建立相应的提取规则,获得数据层的具体知识内容。最后以三元组形式存储不同类型的实例和相互关系,运用Neo4j图数据库进行土石坝险情领域KG的可视化表达及查询应用,使领域内分散数据向集成知识转化,为土石坝安全管理和险情处置提供技术和理论支持。

非黏性碾压土石坝沉降计算探讨

文章以新疆地区几座已建或在建的土石坝工程为研究对象,通过坝体沉降理论计算和监测结果对比分析,探讨了非黏性碾压土石坝沉降计算关键技术问题。结果表明:土体侧压力系数是确定土体泊松比、变形模量的关键参数,其与泊松比呈正相关、与变形模量转换系数呈负相关关系;在冲积砂卵砾石地层中,采用理论公式将压缩模量换算的变形模量与变形模量实测值存在较大偏差,当土体承受压力较低时换算值小于真实值,随着土体承受压力的增大,换算得到的压缩模量也呈逐渐增大趋势,最大达实测值的1.5~2.5倍;当选取合适的坝体分层计算厚度时,采用压缩模量换算变形模量进行坝体沉降计算是可行的,其沉降计算结果与变形模量实测值计算得到沉降量的差一般在20%以内。

基于Microstation平台土石坝三维模型创建方法研究与应用

为解决土石坝三维正向设计中模型创建、工程算量、模型交付等问题,以MicroStation平台为基础采用基于.Net的Addins二次开发方式研究设计解决方案。模型创建方法采用求取土石坝分区横断面沿坝轴线拉伸或旋转形成的实体Mesh1、坝轴线沿分区横断面边界偏移构成的水平面与三维地形模型之间的竖向投影体Mesh2之间的相交体,并通过对Mesh1、Mesh2生成的控制,解决坝轴线转折位置处可能存在的模型自相交问题;工程量提取采用分区横断面材料属性和对应横断面生成的坝体分区模型关联的方式,在分区模型生成过程中同步提取工程量。研究成果适用直线型及折线型等多种类型坝轴线,适用各种复杂分区横断面的土石坝三维分区模型创建,解决了折线型坝轴线情况下因转折位置处可能存在模型自相交现象导致分区模型创建失败问题,解决了坝体分区工程量精确提取的问题,多个实际工程项目应用显示可明显提升土石坝三维正向设计的效率。研究方法及成果可为类似工程应用及软件研发提供参考借鉴。

小型碾压土石坝工程中坝体防渗结构研究

受水流风浪冲击、地震等因素的影响,大多小型碾压土石坝坝体都存在渗漏问题,研究小型碾压土石坝工程中坝体防渗结构施工技术。阐述了防渗结构施工前的准备工作,探讨了土工膜铺设、沥青混凝土浇筑及粘土心墙施工等关键施工环节,并提出了相应的质量控制措施与监测方法。通过具体案例分析,验证了所提防渗结构施工技术在解决小型碾压土石坝工程中坝体渗漏问题中的可行性与可靠性,为同类工程提供有效参考依据。

胶凝砂砾石坝在水库工程建设中的应用

为探索胶凝砂砾石坝在水库工程中应用的可行性及控制要点,对胶凝砂砾石材料性能展开试验,并对设计强度和配合比进行分析;进而对某中型水库工程中胶凝砂砾石坝的施工要点展开分析探讨。结果表明,胶凝砂砾石坝作为新坝型,其梯形断面应力更加均匀,在非常工况下抗剪断安全系数高,抗压强度大,施工速度快,施工质量好,综合投资也比传统坝型节省少,具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。

小型水库土石坝除险加固技术研究

国内的水库绝大多数为小型水库,在水源供给方面发挥着不可取代的关键作用,应当确保小型水库均可维持良好的运作状态,预防可能出现的安全隐患问题。对于小型水库的运作状态维持而言,土石坝更容易出现风险性因素,危及小型水库状态的安全性表现。因而需要高度重视小型水库土石坝的安全性表现并予以确保,主要可以通过采取除险加固技术和渗漏防范处理技术措施的形式,针对可能威胁其安全性表现的问题状况进行防范与处理。为此,首先应当更加清晰地把握小型水库土石坝及除险加固技术相关的各项内涵,然后才可以确保后续面向小型水库土石坝除险加固技术和渗漏问题防范处理技术措施的研究具备可参考性,推动最终所得的研究成果如实服务于小型水库土石坝安全状态维护过程。

三维重构反演的土石坝渗漏通道精确识别技术

高密度电法是探测土石坝渗漏的主要方法,但对渗漏范围边缘的识别较为模糊,无法分辨低阻识别成因。为了弥补该局限性,提出一种三维重构反演(3D-reconstructioninversion)的渗漏通道精确识别方法:首先布设多条正交于可能存在渗漏通道的2D平行测线并进行高密度电法反演,将反演图简化处理后置于三维模型剖面中,然后利用多条测线探测的低阻区高程推算出浸润线,综合分析确定渗漏位置。结果表明:该方法可以精确检测渗漏位置,确定导致反演中低阻识别的原因,可更加直观地观测渗漏通道走向,有效减少因正常渗流导致的低阻识别误差。

SH波不同入射方位下沥青混凝土心墙土石坝响应特性及安全评价研究

地震波空间斜入射下沥青混凝土心墙和坝体的破坏模式及安全评价的研究存在较大不足。考虑SH波入射方位角的空间任意性,基于波场叠加原理构建了地基边界上的非一致自由场,建立了SH波三维空间斜入射下的波动输入方法;基于试验结果建立了沥青混凝土瞬时抗拉强度随应变速率变化的经验公式,提出了依据瞬时拉应力和瞬时抗拉强度判别单元抗拉破坏的心墙安全评价方法;分析了入射方位角对过渡料与心墙之间的位错、心墙应力的影响规律,开展了坝体单元抗剪破坏评价,明确了不同入射方位下心墙和坝体的抗震薄弱部位。结果表明:地震波振动方向平行于水流向是过渡料位错、心墙拉应力和坝体局部动剪切破坏的最不利激振方位。与振动方向平行于坝轴向相比,振动方向平行于水流向时过渡料水平向脱开和竖直位错分别增大19.25倍和2.19倍,心墙最大拉应力增加1.8倍,上游坝坡单元发生动剪切破坏的深度加深。相对本文提出的心墙抗拉破坏判别方法,传统判别方法会导致心墙的破坏程度被高估。

土石坝加高工程老坝防渗墙施工时机优选

针对老旧水库大坝加高工程中混凝土防渗墙的修建时机对其自身应力变形影响很大,可能对坝体防渗系统造成安全隐患的问题,以某土石坝加高工程为例,采用三维有限元法对大坝加高过程进行模拟计算,分析比较了不同施工方案下防渗墙的应力变形特性,以优选防渗墙施工时机。模拟计算结果表明:在加高坝填筑至215 m或此之前修建老坝防渗墙时墙体应力变形较小,此时竣工期与蓄水期防渗墙顺河向最大位移分别为-1.56 cm与4.91 cm,大主应力极值分别为1.01 MPa与1.67 MPa,小主应力极值分别为-0.41 MPa与-0.66 MPa,防渗墙与连接板接缝的切向错动和相对沉降变形极值分别为4.84 mm与8.11 mm,能够满足安全运行要求。相比加高坝填筑后期施工防渗墙,在加高坝填筑开始前或填筑至与老坝同高之前完成防渗墙的施工,可改善防渗墙的应力变形状态并降低防渗墙与连接板接缝的切向错动和相对沉降。

基于P2PSand模型的水库土石坝坝基地震液化影响分析

为了解决水库土石坝坝基地震液化导致严重坝体变形和边坡失稳等灾害,从而对水库土石坝长效安全运行造成严重威胁的问题,以某水库土石坝为例,利用有限差分软件FLAC3D 7.0及其内置P2PSand模型(practical two-surface plastic sand model),对存在地震液化地基的水库土石坝进行地震动力响应分析。结果表明:地震强度与相对密实度对水库土石坝坝基地震液化趋势影响较大,超孔压比随着地震过程的进行而逐渐增大,增大幅度约为10.46%;随着坝基地震液化程度的提高,坝体变形更明显,并且坝基边坡稳定性劣化。

非线性剪胀模型土石坝变形计算适用性评价

以有限元方法为代表的高土石坝变形数值模拟的准确性极大依赖于本构模型对坝料应力应变关系描述的准确性。本文在邓肯-张EB模型基础上,建立了用于分析坝体变形的考虑剪胀的实用性非线性模型(EB-Dilatancy模型,简称为EBD模型)。基于阿尔塔什面板砂砾石坝的大坝变形监测数据,设计了3个反演方案,获得最优的EB模型和EBD模型参数。采用最优参数模拟常规三轴试验,并与实际物理试验进行比较。结果表明:在坝体变形方面,传统的EB模型难以同时准确模拟堆石坝的沉降和水平变形分布,而EBD模型则能够在维持沉降分布模拟精度的基础上提高水平变形的计算精度;EB模型无法实现在合理模拟大坝变形的前提下有效模拟材料单元应力-应变响应,相比之下EBD模型可以同时实现大坝变形和材料单元力学行为的良好模拟。

基于最弱t-norm算法模糊贝叶斯网络土石坝渗漏风险分析

针对土石坝工程渗漏影响要素多,风险评估体系不完善的问题,提出一种基于最弱t-norm算法模糊贝叶斯网络的土石坝渗漏风险分析模型。首先基于土石坝渗漏破坏成因构建土石坝渗漏风险分析网络,再基于层次分析法和最弱t-norm聚合算法求解不同专家判断的相似性结果,最后将相似性结果转化为概率后代入贝叶斯理论计算水库渗漏破坏风险。以2005年英德尔水库渗漏破坏事件为例,计算得到该库渗漏破坏概率为0.08,属于不可接受风险,并通过反向诊断验证了该模型的可靠性与灵敏性优于传统算法。研究结果可为土石坝渗流风险分析与处置决策提供参考。