高土石坝心墙砾石土料掺配施工技术

高砾石土心墙土石坝防渗体砾石土料的质量对坝体结构稳定和长期安全运行至关重要,通过对不同土料掺配施工技术研究,制定出精确掺配的相关施工工艺参数,解决了常规施工存在的诸多问题,提高了高土石坝砾石土料掺拌和填筑施工质量,节约了工程施工成本,确保了坝体结构稳定和运行安全,为工程正常有序施工及完建创造了良好的条件。

新疆某水库沥青混凝土心墙砂砾石坝渗流分析

新疆某水库工程大坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝,坝体防渗系统由沥青混凝土心墙+混凝土基座的形式组成。结合地形地质情况,借鉴国内类似工程经验,对工程渗控系统进行合理设计,并采用二维、三维有限元方法进行渗流计算分析。结果表明:在各种计算工况下,工程各部位的渗流场分布合理;各部位的最大渗透比降均未超过其相应部位的允许值,满足渗透稳定要求;坝体、坝基渗流量占河道全年径流量的1.8‰。该工程渗控系统设计满足规范及设计要求。

库水骤升条件下特高心墙堆石坝渗流及坝坡稳定性分析

为分析库水骤升对特高心墙堆石坝的渗流特性及坝坡稳定性的影响,以某特高心墙堆石坝实际情况为例,建立有限元分析模型,采用饱和-非饱和非稳定渗流理论,对库水骤升阶段渗流场进行了数值模拟,并将非稳定渗流场与极限平衡法相结合分析了坝坡稳定性。研究结果表明:库水骤升过程中,心墙内浸润线变化相对库水位变化表现出明显的滞后性,浸润线呈现“下凹”形状,且水位骤升速率越快,向下弯的程度也越大;库水骤升阶段,心墙内非稳定渗流等势线整体向上游偏移;库水骤升对上游坝坡稳定性具有有利影响,下游坝坡由于心墙较好的防渗性,基本保持不变。

采用瑞典圆弧法和毕肖普法评价超高沥青心墙坝的稳定性

鉴于狭窄河谷地区百米级高沥青混凝土心墙坝所面临的变形控制难、防渗体易破坏等诸多设计难点,结合工程特点提出适合心墙坝体结构、坝壳料设计方案。采用中国水科院自编程序STAB2009瑞典圆弧法、毕肖普简化法对工程大坝边坡稳定进行计算,结果表明:坝体在各个工况下2种方法计算出的结果基本相当,且坝坡最小安全系数均有一定安全储备。说明大坝结构设计合理,为150 m级沥青心墙坝工程设计提供思路。

芝瑞抽水蓄能电站沥青混凝土心墙砂砾石坝坝体反滤设计及渗流安全评价

根据抽水蓄能电站运行期水位变化频繁、水位变幅大的运行工况,针对天然砂砾石料抗渗透破坏和冲蚀能力差的缺点,结合国内在建抽水蓄能电站中首座采用砂砾石料筑坝并直接填筑在河床覆盖层上的沥青混凝土心墙坝,基于当前反滤准则仅重视级配关系而忽略相对密度对砂砾石料渗透性影响的缺点,提出了修正的砂砾石料反滤准则,并通过心墙砂砾石坝坝体的反滤设计、各区坝料的渗流试验及坝体的渗流安全分析进行了验证。结果表明:除级配特征外,反滤设计中相对密度变化对反滤保护能力的影响也至关重要,由于天然砂砾石料渗透性能差,在库水位快速下降过程中,短时间内砂砾石坝体内孔隙水无法排出,坝内浸润面跌落速度远低于库水位下降速度,存在明显的滞后现象,且随水位变化,坝体内部存在渗透坡降大于允许坡降的现象,通过修正反滤准则进行的坝体各分区间的反滤保护设计,可有效应对抽水蓄能电站运行过程中库水位变化频繁、水位变幅大带来的心墙坝大坝迎水侧砂砾石料的渗透稳定问题,结合优良的力学特性及储量丰富便于施工的特点,砂砾石料也是构筑抽水蓄能电站当地材料坝的良好天然材料。

基于FOA-RF算法的心墙砾石土压实质量预测模型

针对随机森林(RF)算法预测心墙砾石土压实质量存在决策树数量选取缺乏深入研究和忽视P0.075质量分数对压实质量影响的问题,提出了一种基于果蝇优化(FOA)算法的随机森林算法(FOA-RF算法),并构建了基于FOA-RF算法的心墙砾石土压实质量预测模型(FOA-RF模型)。该模型一方面通过对料源参数和干密度进行相关性分析,新增了P0.075质量分数作为模型的输入参数;另一方面利用FOA算法对随机森林进行优化,解决了RF算法难以取得决策树数量最优解、没有同时考虑决策树数量与随机特征数影响的问题。以西南某在建砾石土心墙堆石坝工程为例,分别应用基于传统RF、BP神经网络、多元线性回归的预测模型和FOA-RF模型进行压实质量预测。结果表明,FOA-RF模型在预测精度上具有优越性,并基于该模型开发压实质量预测模块,将该模块嵌入碾压质量实时监控系统中可实现压实质量的实时预测。

砾石土心墙料的湿化变形特性试验研究

针对砾石土心墙料,采用大型应力式三轴仪开展了单线法湿化变形试验,较系统地研究了湿化应变与应力水平、围压之间的变化规律。依据试验成果,砾石土心墙料的湿化变形是明显的,且与应力水平、围压密切相关,在高围压、高应力水平条件下,外力改变了试样的饱和状态,砾石土样品逐渐从非饱和状态过渡到饱和状态,砾石土料存在应力饱和现象,导致湿化过程中没有明显的湿化变形。当围压较小时,湿化应变随应力水平的增大而增大,当围压增大到一定量值时,湿化应变反而随应力水平的增大而减小,呈现明显的分叉现象,表现出更加复杂的规律。最后提出了砾石土料湿化变形模型及模型参数,提出的砾石土料湿化模型可作为高土石坝湿化变形分析的基础。

基于弹塑性模型参数反演的高土石坝地震响应预测

合理准确描述堆石料的力学特性是高土石坝地震响应预测和安全评价的重要前提。以特高心墙坝填筑期变形的监测结果为目标值开展了三维反演分析,获取了反映大坝真实状态的坝料广义塑性模型和邓肯张E-B模型的参数,探讨了两种本构模型描述高土石坝变形的精度,随后采用反演的广义塑性模型参数开展了高土石坝的地震响应预测及安全评价。结果表明:目前反演分析常用的邓肯张E-B模型无法兼顾竖向和水平变形,且反演参数无法用于动力分析;静动统一的广义塑性模型计算的竖向和水平位移均与实测结果吻合良好,并可直接用于大坝的动力响应预测。所建立的一整套基于弹塑性模型参数反演的高土石坝地震响应预测分析方法,可为高土石坝的安全评价和风险预警提供可靠的技术支撑。

特高堆石坝砾石土心墙非均质缺陷对渗流场影响分析

砾石土心墙是特高心墙堆石坝防渗系统的关键组成部分,受土料物理特性以及掺料、碾压等施工过程中不确定性因素的影响,心墙砾石土渗透系数表现出一定的非均质性和随机性,对特高堆石坝渗流稳定安全造成重要影响。本文利用分形数学方法刻画出特高堆石坝心墙碾压分层结构及非均质缺陷,三维渗流模拟结果显示,存在非均质缺陷条件下心墙内水位等势线出现抬升,心墙下游面渗透坡降局部发生突变,最大渗透坡降超过允许值,增加下游面渗透破坏风险。砾石土心墙碾压施工过程中应减少欠碾或过碾等质量缺陷,严格控制压实质量。

长河坝水电站特高心墙堆石坝双防渗墙渗流控制特性反演分析

为高效反演模型渗流参数,建立有限元模型,采用多因素敏感性分析法研究了长河坝水电站特高心墙堆石坝坝基渗流控制特性对防渗系统各材料以及表层基岩的渗透系数的敏感性。结果表明:表层基岩和主防渗帷幕的渗透系数对双防渗墙各自阻挡水头比例影响较大,极差分别为0.174和0.125;其余材料渗透系数影响较小,敏感性由强到弱排序为副防渗帷幕、副防渗墙、主防渗墙、砾石土心墙;基于此结果的反演计算值与实测值之间误差不超过5%,满足工程应用要求。

西南某特高心墙堆石坝溃坝概率研究

针对我国西南地区拟建的某特高心墙堆石坝,基于工程资料分析得到了大坝风险要素,采用FMECA法分析确定了大坝主要溃坝模式为漫顶溃坝和渗透破坏溃坝,其中,漫顶溃坝有5种溃坝路径,渗透破坏溃坝有3种溃坝路径;利用事件树法计算这8种溃坝路径的溃坝概率,最终计算得到综合溃坝概率。该计算结果可为编制应急预案和工程建成投运后的突发事件监测预警及应急处置提供科学依据。

水工规范地震动模拟及高心墙坝可靠度研究

抗震可靠度评估可以有效估计大坝在地震荷载作用下的安全性。施加人工模拟的随机地震动并将结构随机响应定量化的思路受到广泛的关注。本文首先基于水工建筑物抗震设计规范,利用谱表达-随机函数的方法建立五类不同场地的非平稳随机地震动模型;其次将该模型与广义概率密度演化方法结合,以获取大坝动力响应的概率信息;最后,引入等价极值事件的思想,建立以坝体变形和坝坡滑移为指标的高心墙坝动力可靠度分析框架。以如美大坝为例的分析结果表明,计算所得坝体变形破坏比坝坡滑移破坏概率大;本文的分析框架引入荷载的随机性,可以计算出较为准确的失效概率,从而为高心墙坝的抗震可靠度评估提供依据,且在岩土工程中均具有适用性。

深厚覆盖层上高心墙坝地震惯性力动态分布系数研究

对于强震区坐落在深厚覆盖层(深度超过50 m)上的高土石坝,通过拟静力稳定分析结果初步判定其抗震稳定性是抗震设计的主要内容,其中水平向地震惯性力沿坝基覆盖层至坝顶的动态分布系数是关键。然而,现行《水工建筑物抗震设计标准》(GB 51247—2018)中地震惯性力动态分布系数多基于坐落在基岩上的高土石坝的动力响应规律确定,现有动态分布系数忽略了深厚覆盖层和地震动强度对地震动传播规律的影响。因此,以坐落在深厚砂砾石覆盖层上150 m级高黏土心墙堆石坝为研究对象,结合现行土石坝设计规范和国内已建高土石坝实例,基于统计平均的方法确定了坝顶宽度、坝料分区、坝坡坡比、覆盖层材料的静、动力特性等关键参数,深入探讨了150 m级高黏土心墙堆石坝在小震(0.1 g)、中震(0.2 g)和大震(0.4 g)规范谱地震动作用下不同深度砂砾石料覆盖层的动力响应分布规律,进而总结归纳出不同深度覆盖层下150 m级高黏土心墙堆石坝的水平向地震惯性力的动态分布系数,将其引入到拟静力法稳定分析中,最后基于最危险滑动面和最小安全系数与现行规范所得结果进行对比分析。研究结果表明,小震(0.1 g)和中震(0.2 g)下采用文中推荐的考虑深厚覆盖层和地震动输入强度影响的水平向地震惯性力动态分布系数时将得到更符合工程实际的评价结果。研究成果可为深厚覆盖层上的高土石坝抗震设计提供参考依据。

300m级土质心墙堆石坝防渗砾石土料加水工艺试验

针对某300 m级特高土质心墙堆石坝的天然宽级配砾石防渗土料存在“天然含水率低”的特点,进行了“皮带机加水+堆料机堆料+料仓闷料”工艺和“分层摊铺+管网加水+料仓闷料”工艺的现场对比试验,验证相关加水工艺的合理性、可行性。试验结果表明,皮带机加水工艺较管网分层加水工艺具有优势,主要表现在皮带机自动化加水系统能实时、高效、精准地实现土料自动化加水;补水后的土料经过皮带运输由堆料机堆料,可实现自动化均匀堆料;土料加水完毕,闷制3~4 d后内部含水率基本稳定,闷料所需时间短;并提出了皮带机加水工艺的改进措施,改进后的“皮带机加水+堆料机堆料+料仓闷料”工艺可为类似土石坝的土料含水率调整提供参考。

阵列式位移计的300m级高心墙堆石坝沉降监测方法研究

因传统变形监测仪器存活率低、精度差,难以满足高心墙堆石坝沉降监测需要,提出了基于阵列式位移计的高心墙堆石坝沉降监测方法,并在两河口水电站大坝心墙沉降监测中得到成功应用,沿两河口大坝2760m高程心墙轴线拉通埋设的3套(共计400m长)阵列式位移计,完整揭示了大坝心墙沿轴线的沉降分布及发展规律。监测成果表明阵列式位移计具有精度高、量程大、环境适应性强等特点,能较好解决300m级高堆石坝变形监测面临的“高水压、高土压、大变形”等技术难题,是一种应用前景广阔的高堆石坝沉降监测新技术。

特高心墙堆石坝蓄水工况非稳定渗流分析

某特高心墙堆石坝库水位在蓄水期上升较快,为保证心墙等关键部位的渗透稳定性,根据实际监测资料确定计算工况,基于非稳定饱和-非饱和渗流理论,采用有限元法计算坝体非稳定渗流场。计算结果表明:蓄水过程中,心墙防渗效果较好,坝体内等势线向心墙上游侧表面集中,渗透坡降最大达到11.52,此值超过了心墙现场检测的平均破坏坡降,但并未达到反滤层保护下的允许渗透坡降,渗透稳定满足要求。计算成果可为此工程后续蓄水以及类似工程提供参考。

国外某深厚覆盖层高土石坝坝基防渗方案设计

国外某高砾石土心墙堆石坝坝基覆盖层深厚、层次结构复杂,基础存在地震液化、抗滑、坝基渗漏等问题。文中针对大坝挡水水头高、坝基材料渗透性强的特点,在设计过程中对单排防渗墙、双排防渗墙、防渗墙结合水平铺盖等防渗形式组合进行了技术比选,最终采用双排防渗墙作为该工程坝基最佳防渗方案。该方案合理且可靠,计算成果可为深厚覆盖层地区的坝基防渗设计提供一定的参考。

基于Geo-studio心墙内高渗透区渗透特性研究

黏土心墙土石坝是我国应用最广泛坝型之一,其优点是适应地基变形能力较强、对地质条件要求较低、就地取材、造价低等。土石坝因自身构造特点存在渗流问题,渗透破坏是诱发土石坝失稳破坏的主要原因。心墙作为防渗体会因质量问题或施工不当等易出现高渗透区域,促使坝体发生渗透破坏,威胁坝体安全。以黑龙江省通河县二甲沟水库的黏土心墙土石坝为研究对象,采用二维有限元数值模拟技术和大数据统计分析方法,研究高渗透区域心墙对土石坝渗流场的影响。结果表明,高渗透区域显著提高坝体渗漏速率及渗漏量,提高心墙出逸点高程,增加局部孔隙水压力,影响心墙右侧(下游)渗流场。随着高渗透区域位置升高,坝体渗漏量逐步减少,心墙出逸点高程逐渐降低,孔隙水压力升高区域逐渐扩大,加剧对单宽渗漏量及心墙出逸点高程影响。高渗透区位置处于距坝基2、7、12和17 m时,引发区域内孔压偏高18%、50%、60%以及90%以上。当高渗透区域渗透系数增加时,位于中位高渗透区域的土体孔隙水压力偏高区域有缩小趋势。研究结果可为未来依据大坝监测数据作渗流反演分析及动态安全监控和评估提供参考,保证大坝在整个生命周期中具有连续性控制,提高坝体安全性。

基于附加质量理论模型的心墙砾石土密实度求解

坝料密实度控制是土石坝心墙填筑质量控制的关键性指标,当前中国西南地区高坝心墙料普遍采用砾石土或掺粒土,传统坑测法测试密实度耗时耗力,而附加质量法目前主要用于堆石料密实度检测,对于心墙料还较少应用。基于附加质量理论模型,提出了一种新的数字量板构建方法。首先基于堆石体上每个测点的测试参数,通过公式计算建立密实度和测试参数的对等关系,得到理论量板;然后通过构建参数对等图制作了两种不同的量板。通过对砾石土心墙坝料密实度进行计算并和坑测法结果对比,验证了此方法的有效性。新的方法计算简便,参数对等灵活,与之前的数字量板相比,具有量板容易扩展、测试范围更广等优点。

砂砾石深覆盖层坝基处理及防渗设计研究

大坝防渗及坝体变形是工程设计的重点和难点。经地形地质条件、枢纽布置、防渗结构的可靠性及工程投资等多方面进行综合比较,选择结构稳定、投资较少、施工可操作性强的防渗方案。通过分析验证,塑性混凝土心墙+帷幕灌浆的防渗形式在深砂砾石地基是可行的,对今后在砂砾石地基建坝有一定参考价值。