基于Geo-Slope的坝坡稳定计算

土石坝的不饱和特性使得其渗流特性与匀质土坝有较大差异。以赛峪水库为研究对象,针对其土石混合坝的特性,采用Geo-Slope软件进行坝坡稳定计算。结果表明:通过参数设置和计算方法的选择,Geo-Slope软件可以控制并解决部分常规软件计算出现的浅表滑弧,得到与实际情况更为接近的滑弧。

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。

边坡工程与堤坝工程研究进展

边坡稳定性问题是土力学的三大经典问题之一,由于其受地质、环境等复杂因素影响始终无法完全解决。近年来,随着我国交通强国、一带一路及西部大开发等国家战略的相继实施和推进,土木、交通、水利等领域中的边坡工程与堤坝工程又面临许多新的难题和挑战。该文简要评述边坡工程与堤坝工程的国内外研究现状,主要包括三个方面:边坡稳定性理论与方法、堤坝灾害机理与分析方法以及边坡和堤坝工程加固技术,重点探讨土坡与堤坝的破坏机理、灾变数值模拟方法、稳定性分析理论与安全评价等研究的最新进展,并展望未来研究方向。随着地质学、地震学、土壤学、生物学、计算力学、人工智能等学科发展,交叉学科的互融共通将有力促进土坡工程与堤坝工程的科技进步。

低围压与不同温度作用下土石坝护坡土石混合体力学特性

针对寒区土石坝护坡存在的隆起、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、坝体填土土石混合体为研究对象,开展了低围压下不同温度和含石量的土石坝护坡土石混合体三轴试验,研究了不同围压、温度、含石量对土石混合体力学特性的影响。结果表明:在较低围压作用下,含石量较低试样的应力-应变关系曲线为应变软化型,随着围压增大,试样的应力-应变关系曲线变为应变硬化型;在常温条件下,当围压较低时,不同含石量的试样呈现先剪缩后剪胀的现象,当围压较高时,试样则一直表现为剪缩,且围压越大,剪缩量越大;在不同冻结温度下,土石混合体的体积应变呈现先剪缩后剪胀的变化规律,且试验温度越低,剪胀变形越明显;随着含石量的增加,砾石之间的嵌合作用增强,土石混合体逐渐成为砾石骨架结构,土石混合体的内摩擦角增大而黏聚力减小;温度的降低使得土石混合体试样内部的水逐渐相变成冰,在结冰胶结作用下,土石混合体的内摩擦角和黏聚力都有所增加。

基于COMSOL的不同库水位条件下土石坝坝坡稳定性分析

由库水位变化引起的渗透破坏是造成土石坝失稳的主要原因之一,坝体滑坡极易诱发地质灾害,严重威胁人类生命财产安全。针对库水位上升对土石坝坝体滑坡的影响,以某均质土坝为研究背景,借助COMSOL Multiphysics数值软件研究坝坡临界失稳状态下的塑性区和水平位移变化,基于有限元强度折减法分析正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位3种工况下的坝坡稳定性。结果表明:随着库水位上升,土石坝内部浸润线位置提高,坝体的最大塑性应变和水平位移呈线性增大趋势,且最大值均出现在坝脚位置。坝脚处塑性区随折减系数SRF的增大逐渐向坝顶贯通,坝坡变形行为以剪切滑移为主。3种工况下稳定安全系数FOS分别为1.894、1.855和1.831,坝体稳定性不断降低,但均高于临界最小安全系数。

库水位骤降情况下土石坝坝坡稳定分析

库水位骤降时,土石坝坝体内浸润线高于库水位,较高的孔隙水压力和渗透力会导致上游坝坡失稳。英布鲁水电站土石坝设计过程中,采用饱和与非饱和渗流模型的有限元法分析得到库水位骤降条件下土石坝的非稳定渗流场,采用极限刚体平衡法计算得出上游坝坡的安全系数。结果表明:英布鲁水电站土石坝在水库敞泄时,上游坝坡的安全系数不满足规范要求;库水位按设计推荐的库水位降落速度控制,上游坝坡的稳定安全系数满足规范要求。

基于统一强度理论的土石坝边坡稳定分析遗传算法

将非线性统一强度理论应用于土石坝边坡稳定分析中,考虑坝体各应力分量包括中间主应力对土质材料强度的影响,以区别于传统土石坝稳定分析中仅考虑剪切和拉伸极限强度的极限平衡法。提出了一个土石坝边坡稳定优化分析模型,并采用最优化遗传算法对土石坝边坡进行断裂面优化搜索。研究表明,统一强度理论中反映中间主应力效应系数值变化对坝体稳定安全系数有显著影响。利用遗传算法对土石坝边坡稳定进行分析时,不必事先假定滑裂面的形状,根据土石坝非线性统一强度理论的剪裂破坏准则进行滑裂面搜索。针对常规最优化方法容易陷入局部最优解的缺陷,基于MATLAB遗传算法工具箱对土石坝边坡稳定性进行分析,分析结果表明,统一强度理论结合遗传算法能克服常规最优化方法在寻优过程中一些缺陷,计算结果更自然合理。

土石坝边坡稳定性分析的温控参数折减有限元法

将土石坝渗流的有限元计算和坝坡稳定分析的强度折减有限元法相结合,对土石坝坝坡的稳定性进行分析。考虑渗流作用时,首先采用有限元法计算坝体渗流场,通过迭代计算出稳定渗流的逸出点和浸润线位置,并根据水力梯度计算坝体所受的渗透力;然后将渗流分析所确定的渗流力与土体自重、浮力、地震力等荷载共同施加在坝体上,采用温控参数折减有限元法计算土石坝坝坡的临界失稳状态及其所对应的安全系数。分析结果表明,采用此方法进行土石坝坝坡稳定分析是合理的,且大大提高了计算效率。

土石坝坝坡模型振动台破坏试验的数值验证

在土石坝坝坡模型振动台破坏试验基础上,采用数值分析方法,对坝坡的动力特性、稳定性以及加筋抗震措施的性能进行研究。采用动力弹塑性分析方法,对坝坡模型振动台试验进行数值仿真,通过类比计算工况,比较、分析坝坡的破坏过程及其破坏性态以及永久位移的变化规律;同时,采用拟静力方法对坝坡的稳定性进行分析,通过设定滑裂面参数,比较滑裂面的深浅,分析加筋对坝坡稳定性的影响,并与试验结果进行对比验证。结果表明:对模型进行的数值模拟和模型试验所得到的结果较为一致,表明坝顶是薄弱部分,破坏首先从坝顶附近开始,减缓坝坡或坝坡加筋均可减小坝坡的永久位移,但加筋能提高坝坡的整体稳定性,能有效控制坝坡的浅层滑动,且不增加大坝填筑量,与缓坡比较有较强的优势。该研究结果可为大坝的加筋抗震措施设计提供依据。

吴岭水库大坝渗流及对坝坡稳定影响的分析

对吴岭水库大坝出现异常散浸及发生局部滑坡的坝段进行有限元渗流计算及坝坡抗滑稳定计算,分析了坝段存在的强风化砂岩与残坡积土的强透水层对大坝渗流及稳定的影响.计算结果表明,由于坝段存在的强风化砂岩与残坡积土强透水层,使得坝体内部浸润线抬高,大坝下游坝坡在比较高的位置出现大面积异常严重的散浸,并导致坝坡抗滑稳定性能大大降低,因而使得坝坡产生局部失稳现象,所计算出的散浸区域及存在滑坡危险区域与实际一致.

基于滑弧动力有限元耦合法的高土石坝坝坡稳定性分析

为研究高土石坝坝坡的稳定性,以某水电站高土石坝坝坡为例,采用条分法与有限元法耦合的计算方法进行分析,选取3个典型断面,对其设计工况和校核工况下的上下游断面的安全系数进行计算。计算结果表明:(1)下游坝坡最小安全系数比上游大,设计工况安全系数比校核工况安全系数大;(2)3个断面在各工况下取得最小值的时刻近似,符合坝坡稳定的计算规律;(3)经过动荷载分析,大坝坝坡在设计地震动作用下是稳定的,考虑到高坝的“鞭鞘效应”,建议在河床中部坝段坝高4/5以上区域采取适当的抗震措施,如加密钢筋、加大堆石粒径、采用胶结堆石料、坝坡加护面层等。研究结果表明,采用条分法与有限元法相结合的方法评价高土石坝坝坡的稳定性,比单一评价方法更科学、可靠。

土坝坝坡失稳风险分析

土坝坝坡失稳是导致溃坝的主要原因之一,进行坝坡失稳风险概率分析是大坝风险评估的重要组成部分。针对土坝坝坡失稳风险模型,详细讨论了模型中各有关参数的取值及随机变量的统计分析问题,建议以坝坡最危险滑裂面为基础的坝坡失效风险计算的蒙特卡罗法,并以某大坝的坝坡失稳风险分析为例说明了建议方法的具体应用。

土坝下游贴坡式加高渗流与稳定问题研究

对土坝下游贴坡式加高过程中面临的渗流、稳定等问题进行计算研究,利用有限元法计算渗流场,比对计算各种情况下的稳定渗流情况,采用简化的Bishop法,考虑孔隙水压力计算坝坡稳定安全系数,对比增加防渗排水设施前后坝体稳定情况。经计算发现,下游贴坡加高会违反防渗原则,导致坝体渗流稳定出现问题。针对可能出现的问题提出了解决方法,最后得出增加水平排水的方案对于降低浸润线最为有效。

昌梨水库大坝防渗加固效果评价

在土坝防渗加固工程中,混凝土护坡和混凝土防渗墙的应用在技术上已较为成熟,但对其实际防渗效果的评价尚缺乏计算依据。以昌梨水库为例,采用有限元法计算了防渗加固前后坝体的渗流特性,结果表明,以混凝土护坡和混凝土防渗墙为主要防渗措施建立的防渗体系效果良好,可明显改善坝体和坝基的渗流性态,加固后大坝各料区渗透坡降和渗透流量均明显减小,且满足规范要求。

土工格栅加筋对高土石坝坝坡地震稳定性影响研究

以300m级双江口心墙堆石坝为研究对象,采用有限元动力时程稳定与变形分析方法,研究了高土石坝顶部1/5坝高范围内采用土工格栅加筋措施对坝坡动力稳定与变形的影响。结果表明,采用土工格栅加筋措施后,增强了高土石坝坝顶区堆石体的整体稳定性,坝坡最危险滑弧深度增加,有效提高了坝坡安全系数;土工格栅加筋方案明显抑制了坝坡滑动位移,最小安全系数对应滑弧的累积滑动量减小。随着输入地震动峰值增加,土工格栅加筋方案对坝坡动力稳定贡献越大。

考虑渗流时滞及参数不确定性的土坝坝坡失稳概率分析

针对非恒定水力边界下土石坝体内复杂渗流场和坝壳物料不均匀分布对其坝坡稳定失效概率问题,提出了一种考虑土石坝渗流时滞及参数不确定性的坝坡失稳概率分析方法。综合运用Van Genuchten渗流模型与抗剪强度理论及毕肖普法,结合坝体内部渗流场与渗流的时滞相关特性,给出了基于均质坝坡稳定安全系数解析式与可靠性功能函数,利用Geo Studio平台融合Kriging模型优势,建立了土石坝坝坡稳定可靠度非侵入式随机有限元模型,并研制了其相关实施程序。工程实例分析表明,该方法较规范方法更接近大坝服役真实状况,相比蒙特卡洛法在其计算工时及收敛等方面优势明显,该方法亦可推广应用于不同水力边界条件下的复杂边坡稳定可靠度分析。

钉结护面板对高土石坝坝坡地震稳定性影响研究

建立了考虑钉结护面板作用的土石坝坝坡地震稳定和滑移计算方法.在此基础上,对比分析了无加固措施和采用钉结护面板两种工况下295 m级两河口心墙堆石坝的坝坡稳定性.结果表明:采用钉结护面板后,坝坡最小安全系数对应的滑弧加深,安全系数明显提高,滑移量减小,有效地增加了坝顶的整体稳定性;随输入地震动峰值增加,钉结护面板对坝坡稳定安全系数的贡献逐渐增大.

陆浑灌区填方坝整体稳定分析

陆浑灌区是我省西部的大型灌区,运行以来在农业生产及抗旱斗争中发挥巨大作用,但灌区的数百座填方坝施工质量较差,整体和局部稳定都存在一些问题。针对填方坝的整体稳定,采用条分法计算填方坝在无水、低水位输水和高水位输水三种务件下的稳定安全系数。经大量渗流计算和稳定分析,认为部分填方坝不能满足稳定要求:坝体渗流使安全系数下降30％左右;改善填方坝整体稳定的措施以渠道防渗、堤坝背坡面排水、增加坝体密实度为最佳,可由具体条件选择。同时这些措施对坝体的局部稳定也是有利的。

社上水库一号坝坝顶裂缝成因分析

根据社上水库一号坝坝顶开裂前后的运行情况和现场检查、试验等资料,并结合坝顶倾度和坝坡稳定计算后认为,由于库水位下降过快、幅度过大,致使上游坝坡失稳,坝顶开裂.

深厚覆盖层上高土石坝抗震稳定性的三维分析

常规的拟静力方法不能反映出深厚覆盖层上高土石坝的动力特性,而应从坝体材料的动力稳定性、坝体地震后的永久变形和坝坡地震过程中稳定安全系数时程变化等方面综合评价大坝的安全性.结合一工程实例,建立了深厚覆盖层上高土石坝的三维有限元动力分析模型,对大坝的抗震稳定性进行分析及评价.研究表明:坝体中较大的加速度数值集中在坝顶向下1/3的坝高范围,而此处以下部分的加速度数值与基岩加速度数值大致相同或略小;地震过程中,坝坡最危险安全系数滑弧由静力最危险滑弧逐步向坝顶方向移动.