锦屏一级拱坝岩体抗剪强度参数取值研究

锦屏一级拱坝为世界最高拱坝,也是世界已经建成的最高大坝,地形地质条件极其复杂。通过锦屏一级拱坝岩体抗剪强度试验、试验特征点选取、参数统计方法以及典型滑块稳定计算等多方面的分析,对岩体抗剪强度参数的取值方法进行深入研究。研究结果表明:对坝基岩体抗剪强度参数标准值的取值,国内外不同规范的规定有一定差异;岩体抗剪强度试验曲线上的某些特征点可采用易于确定的特征点经换算后得出;对同一工程,采用不同的抗剪强度参数统计方法,得到的抗剪强度参数会有一定差异,可能造成对坝肩抗滑稳定不一样的评价。研究成果可供类似工程借鉴参考。

锦屏一级拱坝混凝土全级配与湿筛试验分析

水工大坝混凝土力学特性试验迄今仍采用湿筛成型小尺寸试件进行,而湿筛试验过程中往往剔除大于40 mm大骨料,造成试验结果无法真实反映实际大坝混凝土的性能指标。结合锦屏一级高拱坝混凝土强度测试要求,开展其单轴抗压、单轴抗拉、极限拉伸及弹性模量等指标的全级配试验,并与湿筛试验进行对比。结果表明:在尺寸效应和骨料湿筛效应的影响下,大骨料混凝土全级配试件28 d以上龄期的强度和变形均比湿筛小骨料试件相应龄期的强度和变形小。

锦屏一级拱坝基础处理效果的有限元分析

锦屏一级拱坝坝区地质条件复杂,主要地质缺陷有f5、f8、f13和f14断层,深部裂缝,层间挤压带,煌斑岩脉及变形拉裂岩体等。在可研设计中,对这些缺陷采用了多种基础处理措施,以改善拱坝应力和受力状态。本文采用三维有限元方法,分析了各种处理措施的效果。

基于熵理论的锦屏一级拱坝空间变形预警指标拟定研究

锦屏一级拱坝已建成处于初次蓄水阶段,由于左岸边坡的持续变形对坝体弦长变形有一定影响,为使工程安全运行,拟定了弦长的空间变形预警指标。先利用改进的熵值法求得各测点的熵权,然后由信息熵的定义给出单测点变形熵的表达式,在此基础上再构建各测点的空间变形熵,最后运用最大熵理论给出了弦长空间变形熵的概率密度函数,并对弦长空间变形熵预警指标进行了拟定,结果表明该方法高效可行,可为大坝安全运行提供参考。

冷却通水智能控制系统及其在锦屏一级拱坝中的应用

为提高大体积混凝土通水冷却的效率,实现精准控制与透明管理,防控混凝土裂缝,研制了冷却通水智能控制系统。经过3年实际工程现场试验与应用性研究,解决了该系统在水电工程大体积混凝土施工期复杂条件下稳定可靠运行的关键问题,并最终应用于世界最高双曲拱坝——锦屏一级拱坝工程中。结果表明,该系统实现了大体积混凝土施工期温度控制的标准化、精细化和智能化,极大地提高了大体积混凝土温控的效率。

锦屏一级拱坝黏弹性工作性态反演分析

针对锦屏一级拱坝历年1 880 m高水位稳定期坝体向下游侧位移持续增大的异常变形性态,基于现场位移监测数据和坝体混凝土徐变试验数据,对该拱坝当前运行性态进行了反演分析。结果表明:坝体目前处于黏弹性工作状态,监测发现的短期趋势性变形是由水压荷载作用下黏弹性滞后变形效应和年周期环境温降效应所共同引起。混凝土黏弹性力学参数之间具有较好的线性关系,基于弹性水压分量反演得到的坝体混凝土弹性模量实际是瞬时弹性模量与延迟弹性模量的等效值,对于锦屏一级拱坝,该反演值为35.5 GPa,与前期反演值和试验值较为接近;而基于黏弹性水压分量反演得到的广义Kelvin模型中瞬时弹性模量、2延迟弹性模量和2黏滞系数分别为47.3 GPa、189.4 GPa、132.3 GPa、383.8 GPa·d和20 574.6 GPa·d。建议今后对锦屏一级拱坝建立变形监控模型时,应在HST模型中引入黏弹性滞后水压分量。

应用三维多重网格法的极限平衡法分析锦屏一级拱坝右岸坝坡稳定性

对锦屏一级拱坝右岸坝肩采用非线性有限元分析方法,进行三维弹塑性数值模拟,通过使用多重网格法,在任意滑动面上(平面或曲面)对有限元应力计算结果进行转换,计算得到滑块体的安全系数。弹塑性计算结果表明,基本工况条件下,左岸坝肩的最小安全系数为4.88(大于3.5),出现在温降工况下1 740 m高程处;右岸坝肩的最小安全系数为3.41(小于3.5),出现在温升工况下1 710 m高程处。该结果表明对右岸坝肩采取一定的加固措施是有必要的。

边坡变形影响下锦屏一级拱坝安全性分析

锦屏一级高拱坝左岸边坡断层较多且持续变形不收敛,从而对坝体安全稳定运行造成不利影响,为合理分析左岸边坡变形对坝体安全性的影响,建立了锦屏一级拱坝三维有限元仿真模型,运用小生境与遗传模拟退火耦合算法搜索左岸边坡最危险潜在滑动面,在搜索到的潜在滑动面施加三角形位移荷载模拟左岸边坡的变形并进行持续超载,同时考虑坝体自重、水压力等荷载作用下坝体的应变情况。结果表明,边坡变形的极限超载系数在9~10之间,靠近坝体左岸岸肩1 769m高程以上的部位在边坡持续变形中会较早进入塑性屈服阶段,在不出现塑性屈服区贯通情况下,坝体弦长最大压缩变形可达到205.32mm,从而可为坝体安全运行提供参考。

锦屏一级拱坝左岸边坡长期变形对坝体影响研究

我国已建成的特高拱坝逐渐由设计施工期过渡到蓄水运行期,其试验及监测成果表明,开挖、蓄水等扰动将加快拱坝枢纽区山体边坡的流变变形,这些长期变形对拱坝安全构成严重威胁。提出岩质高边坡长期变形对拱坝安全的影响分析方法,采用黏弹–塑性流变本构模型,计算锦屏一级左岸边坡在运行期的长期变形。以此变形为基础,引入极限分析的思想,提出基于边界位移法和变刚度的强度折减法,对边坡变形对拱坝的影响进行分析评价。边界位移法是在模型边界解除约束,施加固定位移,模拟边坡长期变形;变刚度的强度折减法是基于弹塑性和流变模型之间的内在联系,同时降低刚度和强度,来模拟边坡变形对拱坝影响,具有完备的理论基础。对锦屏一级拱坝左岸高边坡的长期变形进行分析预测,评价了拱坝承受边坡长期变形的安全度。研究表明,左岸边坡长期变形在一定程度上对坝体有益,流变稳定时,坝体屈服区、塑性余能范数都有减小,应力状况得到改善;拱坝可承受6倍以上的边界位移超载。因此,应重点关注应力集中等建基面局部区域对拱坝长期稳定性的影响。

锦屏一级高拱坝施工期及蓄水期弦长监控指标拟定研究

锦屏一级高拱坝左岸边坡将长期处于变形阶段,这对坝体弦长变形有一定影响。为使工程安全运行,首先引入小波去噪理论对弦长原始观测数据进行去噪处理,然后运用最大熵理论并引入拉格朗日函数推导了弦长的概率密度函数,最后由失效概率给出了弦长的监控指标拟定值。结果表明,本文方法高效可行。

锦屏高拱坝基础约束区混凝土通水冷却效果分析

为了解锦屏一级高拱坝右岸基础约束区混凝土通水冷却的温控效果,分别对一期、中期、二期的通水水温及坝体内部温度监测数据进行了统计分析。结果表明,冷却通水开始时间是温控措施中的一个重要因素,应尽量延长中期冷却通水时间。该工程所选通水冷却方案能有效控制混凝土温升,冷却效果良好。并认为在可能条件下,应该将现场通水温控监测资料作为指导混凝土温度调控的第一手资料,且应加强对智能化、个性化通水冷却措施的研究。

基于地质力学模型试验的锦屏拱坝坝肩加固效果研究

锦屏一级高拱坝最大坝高305 m,是目前在建的世界最高拱坝,其坝址区地质条件复杂,存在断层、蚀变岩脉、层间挤压带、节理裂隙及深部裂缝等各类软弱结构面,坝与地基的整体稳定问题突出。为使坝体达到良好的受力状态,满足拱座的抗滑稳定与变形稳定等要求,工程上采取了大量的加固措施,主要有左坝肩垫座、左右坝肩混凝土网格洞塞置换、刻槽置换、传力洞等。加固处理后,坝肩的整体稳定性以及坝肩坝基的加固效果如何是工程上关心的重要问题。采用两个三维地质力学模型,分别开展了锦屏一级高拱坝在地基未加固和加固两个方案下的坝肩稳定综合法破坏试验研究,对比分析了两个方案下坝与地基的变形分布特性、坝肩坝基失稳的破坏机制和整体稳定安全度。结果表明：坝肩坝基加固处理后,坝体及左、右两岸坝肩变位的对称性得到明显改善,变位量值减小;在相同的超载倍数下,加固方案下两坝肩开裂破坏的范围减小,破坏程度减轻,坝肩破坏失稳的超载系数增大,超载能力得到提高;未加固方案拱坝整体稳定综合法试验安全系数为4.7~5.0,加固方案下安全系数为5.2~6.0,安全度得到明显提高。综合分析认为,锦屏拱坝采用以坝肩垫座、混凝土网格置换洞塞、刻槽置换、传力洞等为主的加固方案对坝肩坝基起到了良好的加固效果。

高拱坝砼自生体积变形模型分析及其对抗裂性能影响评价

水工高坝混凝土的自生体积变形对其各项性能影响显著,尤其是对抗裂性能。依托锦屏一级拱坝混凝土的全级配、湿筛试件所测试的自生体积变形试验结果,结合欧洲、日本混凝土自生体积分析模型,建立锦屏拱坝混凝土自生体积变形模型,并分析其对坝体抗裂性能的影响。结论表明:锦屏一级拱坝混凝土自生体积变形量仍较大,最大值达-29.8×10-6,且全级配试件120 d龄期测试的自生体积变形值略低于湿筛试件所测试的结果,150 d龄期后全级配试验所测得自生体积变形量则要高于湿筛试验的测试值。建议施工中掺加膨胀型外加剂,以抑制自生体积收缩变形。

锦屏一级高拱坝坝基结构面弱化效应研究及坝肩稳定性分析

为了研究锦屏一级高拱坝工程在蓄水运行后,坝肩坝基软岩结构面在应力场、渗流场耦合作用下的弱化效应,以及在考虑这种弱化效应条件下分析高拱坝工程的坝肩稳定问题,首先通过现场采集该工程坝肩软岩和结构面岩样,制备相似试件,在MTS岩石力学测试系统上进行水岩耦合三轴压缩试验,获得了坝肩软岩和结构面强度参数的弱化率,为拱坝坝肩稳定模型试验提供结构面降强幅度的依据。然后,针对拱坝坝肩稳定问题,开展了加固地基条件下高拱坝三维地质力学模型综合法破坏试验,在试验中,根据弱化试验成果确定了结构面的综合降强幅度为30%,并研制了适用于各类软弱结构面强度弱化特性的变温相似材料,用于在模型中模拟结构面的弱化效应。通过试验获得了坝与地基的变形分布特性,坝肩坝基失稳的破坏形态和破坏机理,得出坝肩稳定综合法试验安全系数为5.2~6.0,评价了拱坝工程的稳定安全性。研究成果为工程的设计施工和安全运行提供了重要科学依据。

考虑黏弹性滞后效应的拱坝位移监控组合模型

位移监控模型需要对拱坝变形性态兼具良好的解释和预测能力。水压-滞后-周期性温度-时效四因子HHST(Hydraulic,Hysteretic,Seasonal and Time)模型能够合理地解释锦屏一级拱坝的黏弹性滞后变形性态。为进一步提升该模型的预测精度,使用支持向量机(SVM)建立有限元计算所得拱坝黏弹性滞后位移与其因果因子之间的隐式关系,再将其融入到HHST模型中,进而基于多元线性回归建立拱坝位移的组合监控模型。以锦屏一级拱坝为例,减少输入因子数的组合模型的预测精度明显高于直接以HHST模型中18个因子作为输入的单一模型;SVM对滞后水压位移分量的预测精度明显高于基于约束最小二乘法的线性回归模型,采用2种滞后水压分量所建组合模型对拱坝变形性态具有相近的解释能力,而采用SVM滞后水压分量建立的组合模型可有效地提高拱坝位移的预测精度,多测点均方误差(MSE)平均降低21.67%,决定系数R2整体提高0.07%。

岩石高边坡开挖卸荷松弛准则研究与工程应用

基于对卸荷松弛过程和机制的定性分析,提出了以岩石极限拉应变作为卸荷松弛的判别准则。通过对岩石极限拉应变室内试验资料与其抗拉强度之间关系的分析,并结合小湾工程卸荷松弛分析的成功实践经验,提出了极限拉应变值的取值原则,并明确了岩石边坡开挖后实际拉应变的计算方法。运用三维弹黏塑性加锚节理岩体流变模型,将该准则和计算方法应用于锦屏一级拱坝建基面开挖卸荷松弛的数值分析中,通过与实际开挖揭示和声波测试资料的对比,结果表明分析结果较为合理,为工程建设提供了有益的指导。

基于热流耦合算法的含有冷却水管的大体积混凝土温度场仿真技术

针对采用等效算法求解含有冷却水管的大体积混凝土温度场时无法考虑水管中水温沿程变化、不能精细计算靠近水管处的混凝土温度场问题,特提出改进的热流耦合算法,并基于ANSYS软件中的solid70单元、fluid116单元、mass flow等子程序,构建了含有冷却水管的大体积混凝土热流耦合算法的单元选择、网格划分、自由度耦合、载荷施加等关键技术,并将其应用于锦屏一级拱坝#14坝段1~4仓含有冷却水管的大体积混凝土温度场仿真计算中。仿真结果表明,采用改进的热流耦合算法的计算值与实测值十分接近,从而验证了改进算法的可行性。