Crucial technologies in the design of Xiluodu Super High Arch Dam

Some super high arch dams (SHADs),like Xiluodu Arch Dam,after their heights reaching the magnitude of 300 m,confront lots of technical challenges in design and construction.Several crucial technologies of 6 SHADs will be reviewed and discussed in this and consecutive papers,including Xiluodu,Jinping I in China,Baktiary in Iran,etc.,on the topics of the research method,criterion for evaluation and engineering application of dam safety analysis and evaluation,reasonable dam base interface,dam shape optimization,comprehensive treatments of complex foundation,anti-seismic engineering,dam construction material,concrete placement and temperature control,instrumentation and monitoring of dam operation,etc.This paper will mainly focus on the overall safety of SHADs,reasonable dam base interface analysis and evaluation and their engineering application.

Optimization design of foundation excavation for Xiluodu super-high arch dam in China

With better understanding of the quality and physico-mechanical properties of rocks of dam foundation,and the physico-mechanical properties and structure design of arch dam in association with the foundation excavation of Xiluodu arch dam,the excavation optimization design was proposed for the foundation surface on the basis of feasibility study.Common analysis and numerical analysis results demonstrated the feasibility of using the weakly weathered rocks III1and III2as the foundation surface of super-high arch dam.In view of changes in the geological conditions at the dam foundation along the riverbed direction,the design of extending foundation surface excavation area and using consolidating grouting and optimizing structure of dam bottom was introduced,allowing for harmonization of the arch dam and foundation.Three-dimensional(3D)geomechanics model test and fi nite element analysis results indicated that the dam body and foundation have good overload stability and high bearing capacity.The monitoring data showed that the behaviors of dam and foundation correspond with the designed patterns in the construction period and the initial operation period.

旭龙水电站泄洪消能设计研究

为了研究高地震烈度区特高拱坝设计采用全坝身泄洪的可行性,以旭龙水电站特高拱坝为例,对泄洪消能布置、水力指标、坝身孔口布置方式、体型以及孔口结构抗震影响等方面进行研究和综合比选后,推荐采用全坝身3表孔加4中孔泄洪、下游反拱水垫塘消能方案。研究表明:合适的坝身孔口布置体型可保障泄洪消能安全与减轻岸坡泄洪雾化,反拱水垫塘安全性和经济性较好,孔口结构对坝体整体极限抗震性能无影响,高地震烈度区特高拱坝设计采用全坝身泄洪是可行的。研究成果可为类似工程泄洪消能建筑物设计提供参考。

考虑多重共线性影响的特高拱坝时空监控模型

为了解决特高拱坝时空监控模型中因子数目众多、因子之间存在多重共线性以及各测点之间存在空间关联性的问题,基于大坝变形原型监测资料,采用核独立分量分析(KICA)方法提取独立分量,将多个测点信息转化为少数几个综合指标;将提取的独立分量代入利用灰狼优化(GWO)算法优化的支持向量机(SVM)模型,对特高拱坝空间测点进行回归预测,构建了KICA-GWO-SVM特高拱坝时空监控模型。工程实例分析结果表明,KICA-GWO-SVM特高拱坝时空监控模型与多元回归模型、BP模型及SVM模型相比,其非线性表达能力强且性能良好,能够降低多重共线性对大坝变形监测的影响,对特高拱坝变形序列的拟合与预测精度高,可以更加准确全面地表征大坝整体的时空变形性态。

改进的特高拱坝分区变形预测模型

已有特高拱坝分区变形预测模型不能辨识趋势性、周期性和波动性的空间差异性。提出一种改进的模型,应用变分模态分解将变形分解为趋势性、周期性和波动性分量;通过基于主成分的分层聚类方法确定温度因子,将库水位、温度和谷幅等影响因子分解为趋势性、低频和高频成分。采用基于形状距离的优化动态时间规整算法进行变形分量分区,计算分区质心序列,利用灰色关联度确定主要影响因子成分。构建基于实测温度的统计模型以及随机森林、最小二乘支持向量机和增强回归树等算法的分区预测模型,叠加各分量得到变形预测值。利用溪洛渡特高拱坝运行初期的变形数据验证改进分区模型的有效性,结果表明,模型精度较高,且同时识别了位移的空间关联性和差异性。

特高拱坝运行期温度场仿真反馈及其与设计温度差异研究

温度荷载是特高拱坝的主要荷载之一。以中国西南某特高拱坝为例,基于大坝温度监测资料,分析了坝体温度的时空演化规律。在此基础上,采用有限元仿真分析方法,对大坝上游表面温度边界条件以及混凝土热学参数进行反演,仿真分析了拱坝长期运行的温度演化过程。对比分析了设计库水温与实际库水温的分布特征,研究了设计条件和实际条件下拱坝蓄水运行期温度场的差异。研究结果表明,大坝运行期温度时空演化规律符合常规认知,仿真反馈计算值与监测值吻合较好,可以反映坝体实际温度场分布情况;设计条件下,坝体温度在封拱灌浆后缓慢地升高,逐渐趋近于稳定温度,实际条件下,坝体温度在封拱灌浆后升高了7.1~9.2℃,封拱后8~12年达到最高温度,40~80年回落至稳定温度。

强震区超高拱坝抗震处理措施设计优化

基于大岗山拱坝地质条件复杂、地震烈度高,按照静载设计、动载复核的原则,对大岗山拱坝抗震设计开展了研究。通过计算分析和模型试验,采用布置梁向抗震钢筋、跨缝阻尼器、抗力锚索与坝基薄弱岩体灌浆等工程技术措施,提升了大岗山水电站超高拱坝的抗震稳定安全性。

特高拱坝安全监测可视化系统研发

针对特高拱坝运维期内海量安全监测数据管理可视化程度不足,效率低下的问题,利用数据库、.NET开发平台以及VTK可视化系统等技术,研发了一套适用于特高拱坝的安全监测可视化系统。将安全监测数据库、工程场景、VTK三维可视化引擎在可视化平台中进行有机的融合,各安全监测信息以及分析成果可以以二维图形、三维云图和表格等方式实时、动态的呈现,实现了各安全监测信息的信息化和可视化,所见即所得。该系统为安全监测管理人员提供了一个直观、高效的信息可视化安全管理辅助系统,具有一定的应用价值。

考虑温度荷载的特高拱坝力学性能有限元分析

为研究温度荷载对特高拱大坝影响,以某有横缝面的特高拱坝实际工程为例,考虑温度场影响,利用有限元分析软件ANSYS建立数值模型进行计算,分析特高拱坝在施工及运行期间的温度和应力的分布特征,计算结果显示:坝体的温度及应力分布均呈现出左右对称分布的特征,上游面和下游面的最高温度出现在浇筑后的200 d左右,坝体内部的温度在800 d左右时间逐渐稳定在20℃。对于分缝方案情况,横缝位置的表面温度较高且出现明显的应力集中现象,随着温度升高,拉应力值降低。

特高拱坝施工进度仿真研究与应用

针对高拱坝仓数多、约束条件多、关系复杂等难题,为确保白鹤滩大坝整体均衡、连续上升,借鉴二滩、小湾、锦屏一级、溪洛渡、大岗山等拱坝施工进度仿真经验,融合工程物联网与离散系统仿真技术,提出了多要素多维耦合的高拱坝智能进度仿真理论,研发了特高拱坝进度仿真系统,实现了基于BIM全参数驱动的动态分层、图形化快速建模及施工进度的动态分析。工程应用实践表明,该仿真系统功能应用良好,为现场施工计划的编制、进度动态管理,提供了科学指导。

粉煤灰对特高拱坝封拱后坝体温度升高的影响

以某特高拱坝为例,分析其分布式光纤温度监测数据,采用封拱完成后坝体内部混凝中粉煤灰水化放热的计算方法;借助最小二乘法来拟合温度升高过程,同时以温度监测数据为基础,分析计算粉煤灰对坝体温度提高所造成的影响。结果表示,完成拱坝封拱后,粉煤灰累计放热量随时间增长的变化曲线基本和混凝土的放热曲线保持一致,这表明封拱完成后坝体内部温度增高的主要因素来自粉煤灰水化放热,要想削弱封拱完成后温度提高对坝体造成的负面影响,主要手段是调整粉煤灰在混凝土中的占比。

锦屏一级特高拱坝工作性态仿真与反演分析

锦屏一级拱坝坝高305 m,运用有限元仿真分析方法模拟了锦屏一级特高拱坝自第一仓混凝土浇筑至蓄水运行全过程,基于监测资料对后期发热温升、坝体与基础弹性模量等主要热力学参数进行了反演分析,并对下一阶段蓄水的工作性态进行了预测。计算结果表明,锦屏一级拱坝后期发热温升约为5~6℃,短期蓄水过程中混凝土和地基弹性模量约为设计初始值的1.65倍左右。在水位上升至1 880 m时,径向最大变形出现在1 730.0 m高程的PL13-4监测点。预测值与监测值吻合较好,证明仿真分析成果能基本反映大坝实际工作性态,分析结果也为其他特高拱坝的设计提供了参考。

基于施工期变形监测的特高拱坝力学参数反演研究

利用施工期内的各种变形监测数据,来反演300 m级特高拱坝真实力学参数具有重要的工程和科学意义。提出了一种基于特高拱坝施工期仿真应力的反演分析混合模型,该模型基于施工期大坝和基础监测的垂向压缩变形,来反演施工期真实力学参数,并以溪洛渡特高拱坝为例,验证了该模型的适用性与可行性:基于施工期精密水准仪的监测值反演了大坝的弹性模量,基于施工期多点位移计的监测值分段反演了基岩的变形模量,结果表明,该反演混合模型获得的反演值与弹性模量和变形模量的实测值均较为接近。研究成果可为同类特高拱坝工程的真实力学参数反演问题提供借鉴与科学依据。

基于性态仿真的特高拱坝设计研究与应用之一——我国拱坝结构分析方法发展现状与展望

300 m级拱坝坝高、库大、应力水平高、施工运行期工作性态复杂,《混凝土拱坝设计规范》(DL/T 5346—2006)(以下简称《规范》)的分析方法和安全系数能否涵盖所有安全风险,存在疑问;《规范》要求,坝高大于200 m的拱坝,应对上述有关问题进行专门论证。结合笔者所在团队十余年来跟踪小湾、锦屏一级、溪洛渡、拉西瓦等特高拱坝建设全过程开展的科研工作,对特高拱坝结构研究的经验类比方法、应力分析方法、稳定分析方法、抗震安全分析方法的基本概念、工程应用、主要优缺点和发展趋势进行阐述和分析,结合不同设计阶段的目标和资料细化程度,提出了特高拱坝可行性研究设计、招标设计、施工图设计、蓄水与运行等不同阶段应该开展的分析工作以及建议采用的分析方法,也可为一般拱坝的设计提供参考。

谷幅收缩变形对拱坝应力状态影响分析

针对西南地区某特高拱坝蓄水后出现较为明显的谷幅收缩现象,在对大坝施工全过程进行跟踪仿真模拟的基础上,对比分析了考虑及不考虑谷幅收缩变形的影响。研究结果表明,仅考虑常规荷载条件下的大坝具有较大的安全裕度,库岸边坡出现60mm左右的谷幅收缩变形时,大坝安全风险仍然可控。若后期谷幅收缩变形进一步增大,则应尽量将上游水位维持在相对较高水平,尤其是低温季节,以确保大坝工程安全受控。

特高拱坝施工期数字监控方法、系统与工程应用

依据混凝土坝数字监控的理论,从主要目的、基本内容和工作模式3个方面论述了特高拱坝施工期数字监控方法,介绍了特高拱坝施工期数字监控系统,提出了利用该系统开展特高拱坝施工期数字监控的工程应用模式。特高拱坝施工期数字监控系统的工程应用表明,运用该系统可以实时开展大坝工作性态评估,降低事故风险,同时可以为施工期动态设计提供决策支持。

特高拱坝建基面岩体选择的工程类比法研究

为确定坝高超过200 m的特高拱坝建基面可利用岩体的选择标准,对国内7座特高拱坝建基岩体的利用情况进行了综合评价,通过工程类比法分析了特高拱坝建基面可利用岩体的选择因素,提出了特高拱坝建基面可利用岩体的选择标准。研究表明,特高拱坝及坝基在荷载作用下的破坏模式为压破坏和剪破坏,要求拱坝建基岩体应具有足够的承载能力、抗变形能力、抗剪切能力以及抗滑稳定性。国内特高拱坝建基面可利用岩体的选择主要是以岩体质量分级为综合评价指标,不同坝基部位可选择不同质量级别的岩体;Ⅱ级岩体是特高拱坝的优良的建基岩体,中部建基面可以有效地利用部分Ⅲ1级岩体,上部可适当利用Ⅲ2级岩体;对于特高拱坝坝基,变形模量和黏聚力略大于规范建议值;特高拱坝建基面可利用岩体选择以荷载及应力水平为基础,以拱坝稳定为前提,以变形、强度等力学参数为依据,以岩体质量级别为具体表征,按不同高度分区域进行多因素综合论证和选择。

特高拱坝建基面浅层卸荷机制与稳定分析

随着我国水电资源的大力开发,高坝建设日益增多,面对这些大规模的建设,拱坝的稳定问题成为拱坝设计中的关键重大问题。对于处在高地应力河谷的拱坝建设,由于开挖,地应力释放引起基础岩体卸荷,造成的浅层稳定问题,对高坝设计来说是个少有成例的问题。对此问题,如果采用概念不对,误导了计算,则将引入失误。对高拱坝建基面浅层卸荷特征、产生机制进行详细讨论,结合小湾高拱坝遇到的浅层稳定问题,提出了拱坝多余力,及浅层建基面面安全系数的求法,利用最大最小原理对小湾拱坝建基面浅层稳定进行分析评价,分析结果在小湾工程的设计中得到应用,文中提出的分析方法可以指导同类工程的设计。

特高拱坝封拱后温度回升及其原因分析

利用小湾拱坝工程的温度观测资料，运用仿真计算和回归分析相结合的方法来研究拱坝封拱后温度回升这一问题。小湾观测资料表明，坝体内距上、下游位置相近处，温度沿高程分布基本相同。封拱后坝体中心断面总体温升约6～8℃。研究表明，特高拱坝后期温度回升的主要原因是边界热量内传和坝体混凝土的残余水化发热，其中后期水化发热是主要原因，会使坝体内部温度高于稳定温度。后期水化发热的原因是早龄期低温温控抑制了胶凝材料早期水化和高掺粉煤灰的后期水化发热。封拱后的温度上升和回落会在坝体内部留下残余应力，且会增大拱座推力，给大坝和基础带来不利荷载增量，因此有必要进一步研究特高拱坝封拱后温度回升对坝体应力的影响。

特高拱坝施工及初次蓄水期变形回归模型研究

针对特高拱坝施工及初次蓄水期间的变形特点,在传统模型基础上,增加了初次蓄水坝高因子、初蓄温度因子和初蓄渗流因子,建立了施工及初次蓄水作用下的大坝变形回归模型。通过对某高拱坝初次蓄水期间大坝回归分析可知,新模型拟合精度高,各测点相关系数均在0.99以上。水压分量、温度分量、坝高分量、初蓄及时效分量变化趋势以及在整个径向位移中所占比例符合实际规律,考虑了施工及初次蓄水期间坝体上升、外界温度影响、坝体自身温度变化、初次蓄水及渗流作用、时效等影响,反映了初蓄期间坝体的变形特性。总之,新的大坝变形回归模型能够较好地反映施工及初次蓄水期的各种影响因素,便于分析施工及初次蓄水期坝体的工作性态。