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.

水下爆炸下高拱坝坝面冲击荷载特性研究

确定爆炸荷载是高拱坝抗爆性能评估和抗爆设计的前提。为此,开展了高拱坝水下爆炸模型试验,并结合数值模拟方法,研究了高拱坝水下爆炸冲击荷载特性。以原型拱坝按1∶200缩比设计和制作了拱坝模型,测量了水下爆炸作用下库中以及拱坝表面的冲击荷载;采用Abaqus软件进行了拱坝水下爆炸数值模拟,结合试验数据验证了数值模拟的可靠性。研究结果表明,高拱坝水下爆炸冲击荷载可分为三个部分:首波爆炸冲击荷载、岸坡反射爆炸冲击荷载以及基底反射爆炸冲击荷载;对于库中起爆工况,高拱坝中心区域受到首波冲击的影响较大,而底部和靠近岸坡的区域则受到反射波的冲击较大,反射波在这些区域引起了较大的速度响应,在高拱坝的抗爆设计以及性能评估中,应考虑反射爆炸荷载的影响。研究成果可为高拱坝抗爆设计以及抗爆性能评估提供参考。

小湾水电站表面变形智能监测系统应用

大坝及边坡表面变形监测是水电站安全运行的重要保障。高拱坝、高边坡的温渡、气压、风速、降雨量等环境因素随不同部位不同高程的变化差异大,从而直接影响表面变形监测数据的精度与效率,建立一套高拱坝、高边坡智能表面监测系统是一项重大研究内容。小湾电站具有坝高、库大、地形地质条件复杂、边坡潜在变形失稳模式多样等特点,通过对小湾大坝及枢纽区边坡表面变形监测进行智能化改造,及时、准确、智能的掌握大坝及枢纽区边坡的表面变形情况非常必要。

关于特高拱坝建基面径向变形量值的探讨

特高拱坝建基面径向变形是重要物理量之一,其变形量值和速率事关拱坝安全。笔者提出基于监测与仿真分析的特高拱坝建基面径向变形取值计算方法,在结合垂线监测数据和反演计算得到坝体和基础力学参数的基础上,分析研究基础径向变形沿高程分布规律,得到基础廊道高程径向变形和建基面径向变形之间的相关关系,为特高拱坝基础特别是建基面径向变形取值提供了新的思路。

高拱坝表孔宽尾墩流道内水流特性的数值模拟研究

宽尾墩应用于高拱坝表孔后,其下泄水流的空中扩散特性与宽尾墩流道内的水流特性密切相关。采用k-ε双方程紊流模型对宽尾墩应用在高拱坝坝身泄洪表孔时的水流特性进行了3维数值模拟,给出了孔流道水面线、压力、流场等水流特性。计算值与模型试验值对比,两者吻合较好。计算结果发现,坝面中线压力分布与侧墙压力分布存在相似规律,所不同的是侧墙压力在宽尾墩转折点位置存在局部增大;墩尾压力分布受墩内水流流线弯曲影响,其分布不再符合净水压力分布规律;墩尾水流流速大小沿水深方向变化不大,但流速方向变化比较明显。

高碾压混凝土拱坝温控可靠性分析

运用可靠度理论,考虑大气温度和关键混凝土参数的不确定性对拱坝温度场、应力场的影响,并将其作为随机变量,以控制拱坝施工期坝体最高温度为例构建坝体最高温度控制功能函数,采用响应面法解决功能函数无法显式表达的问题,从而建立拱坝施工期坝体温控失效概率和可靠度指标求解新模式。计算结果显示,与蒙特卡罗法计算结果的相对差别不超过8.36%。新方法在解决实际工程问题时可避免大规模的数值计算,在保证计算精度的前提下大幅提高了计算效率。

高拱坝混凝土振捣机器人系统研发及应用

常态混凝土浇筑人工振捣施工存在工作强度高、作业主观性强等不足,现有振捣监控方法主要进行振捣位置、振捣时间等参数监控,且均依靠人工经验评估振捣是否密实,难以实现混凝土振捣质量的精确评估。针对上述问题,研发了融合表面图像机器视觉识别的混凝土振捣机器人系统,该系统包括振捣机器人本体、云端监控平台以及通讯子系统。基于工业机器人、自动化控制、机器视觉等技术研制振捣机器人本体,实现高拱坝仓面混凝土无人振捣作业;同时,建立基于改进残差网络(Residual Network,ResNet)的混凝土振捣表面图像的分类模型,实现振捣密实性的科学分析。此外,基于B/S架构研发云端监控平台,并通过无线通讯子系统实现与振捣机器人本体之间信息的传输与交互,实现振捣作业信息的可视化与远程控制。现场试验验证了振捣机器人系统的可靠性和可行性。研究成果为高拱坝混凝土振捣实现无人化作业、精细化质量控制提供了新的思路和技术手段,也可用于其它大体积混凝土施工中,具有十分重要的应用和推广价值。

采用球面键槽的高拱坝横缝开度仿真分析

采用三维有限厚度带球面键槽接缝单元模拟拱坝横缝,推导了球面键槽的接触物理方程,探讨了球面键槽的最优中心角.在三维瞬态温度场仿真计算结果的基础上,利用三维瞬态非线性有限元方法对小湾拱坝横缝开度进行了全过程仿真分析.计算中考虑了坝体材料的热力学性能、浇筑过程、环境温度变化、封拱和蓄水过程以及接缝在灌浆前后的不同力学性质等因素.计算结果表明,小湾拱坝大部分灌区横缝开度满足灌浆要求,灌浆后蓄水对横缝有压紧作用,不存在二次灌浆问题.

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。

高拱坝的非概率可靠性分析

随着一大批高拱坝将在我国水力资源丰富的西南地区修建,高拱坝的可靠性日益成为了水工研究的焦点。拱坝问题复杂,设计中涉及的不确定参数较多,可利用的统计信息却较少,给出它们准确的概率分布和隶属函数几乎是不可能的,因此传统的可靠性分析方法在应用中遇到较大的困难。为此,采用统计数据需求较少的非概率可靠性分析方法,结合响应面有限元法建立了高拱坝的非概率可靠度计算模型,编制了相关的软件,并依托小湾拱坝进行了高拱坝的应力变形分析和可靠度计算分析。

高拱坝坝身泄洪规模探析——以白鹤滩水电站为例

坝身泄洪规模对于高拱坝工程的泄洪安全有重大影响,是高拱坝水力设计中关键的技术参数之一。本文基于白鹤滩水电站坝身泄洪水工模型试验成果与水垫塘底板最大冲击压强宜小于15.0×9.8 kPa的技术基准,给出了该工程坝身泄洪规模的具体量值,并从水垫塘单位水体消能率角度与同类型工程进行了对比。试验研究表明,坝身泄洪规模与水垫塘底板冲击压强之间有显著相关性:在表孔单独泄洪运行工况下,随坝身泄流流量的增加,水垫塘底板最大冲击压强以幂函数的形式增大,且增幅十分明显;而在表深孔联合运行工况下,水垫塘底板最大冲击压强则主要取决于表孔与深孔泄流流量之比,基本上为线性关系。

高拱坝无碰撞泄洪表孔水舌纵向拉伸方法试验研究

为实现峡谷中高拱坝表、中(深)孔无碰撞消能,需在坝身孔口布置中引入收缩式消能工,但表孔水头低,出口流速低,单一措施很难实现水舌纵向拉伸。对此,采用1∶50整体水工模型试验,通过设置三种表孔出口体型,研究了某高拱坝表孔水舌纵向拉伸方法。结果表明,除宽尾墩外,楔形体应用于高拱坝表孔也可实现水舌纵向拉伸;调整表孔底板坡度可为水舌纵向拉伸创造条件,对表孔底板出口进行一定尺寸透空可进一步纵向拉伸并稳定水舌;随着水舌纵向入水长度的增加,流量分布更均匀,水垫塘底板冲击压强峰值亦随之减小。

宽尾墩体型对高拱坝表孔最大水深的影响

宽尾墩应用于高拱坝表孔后会增大流道水深,从而一定程度上增大工程量,同时过高的边墙也会增大结构设计难度。为探究表孔最大水深与宽尾墩体型之间的关系,采用数值计算的方法,分析宽尾墩收缩比、收缩率、堰面俯角等体型参数对高拱坝表孔最大水深的影响。结果表明,表孔最大水深随着收缩比的增大而显著减小,而收缩率的影响则相对较小;得出了表孔流道最大水深与宽尾墩体型参数之间的定量计算式,并提出了一个综合影响系数k来判别急流冲击波交汇点位置,可为表孔宽尾墩的结构设计提供参考。

底板透空型贴角楔形体挑坎应用于高拱坝表孔的研究

研究了一种底板透空的贴角楔形体挑坎结构,在高拱坝表孔末端布设一定高度的贴角楔形体并将底板进行适当长度的透空,采用模型试验和数值模拟的方法对挑坎流道内的水力特性进行了研究。结果表明,这种挑坎型式不会显著增加流道水深,挑坎压强分布合理,没有悬臂失稳风险;挑坎出口位置水舌的上缘挑角增大而下缘挑角减小,从而可使出挑水舌在纵向上实现大幅的拉伸;孔口的泄流能力也不受影响。

溪洛渡水电站高拱坝建基面处理与安全监测

金沙江溪洛渡水电站大坝为我国目前已建和在建装机容量最大的高拱坝。开挖揭示大坝建基面局部存在Ⅲ2、Ⅳ级岩体和层间、层内错动发育等地质缺陷,河床坝段基岩面以下20 m处存在约15%的Ⅲ2级岩体,严重影响大坝及基础的整体稳定。通过优化建基面设计和置换混凝土、加强固结灌浆、刻槽、锚固、防渗和清基等一系列的处理措施,建基面岩体质量得到了明显的改善。监测成果显示,随坝段浇筑混凝土上升,建基面应力和沉降均匀增大,相邻坝段差异沉降较小,坝基防渗性能好,坝基和坝体的整体稳定性较好。总结溪洛渡水电站高拱坝建基面处理和监测,对类似工程具有指导和借鉴作用。

高拱坝坝面防渗涂层数值模拟研究

聚脲防渗材料在大型水利水电工程中应用十分广泛,在工程不失防渗功能情况下,选择合理的铺设厚度及铺设方法对节省工程投资具有重要的现实意义。通过建立混凝土块体与聚脲接触模型,采用Ogden材料对聚脲防渗材料进行模拟,运用ADINA软件模拟涂层厚度、垫层宽度对聚脲应力、变形特性的影响进行参数化分析。研究结果表明:防渗材料最大正应力和最大厚度改变量与裂缝的开度、水深、涂层厚度及垫层宽度等相关,且垫层宽度对最大正应力和最大厚度改变量的影响较大。

芙蓉江牛都水电站工程泄洪消能设计

针对芙蓉江牛都水电站工程洪峰流量大、河床狭窄的不利条件,采用坝顶表孔泄洪,表孔出口采用滑雪道+小挑坎面流消能方案,冲坑较浅并远离大坝,优化了坝体结构和取消下游消能防冲工程措施,确保工程安全的同时,降低了工程造价,对同类工程有较好的借鉴作用。

工程地质科技发展与进步

进入21世纪,工程地质勘察新技术、新方法发展迅猛,西北院为适应日益竞争激烈的市场,以科技为引领,提高勘察技术进步。近年勘察技术进步主要在3D激光扫描技术、工程勘察技术数字化、定向钻孔测试设备研发及综合勘察技术、地质遥感解译、岩土数值模拟等方面。科技研发主要集中在复杂边坡、深厚覆盖层、岩体结构、特殊性岩土等方面,在以下方面取得研究进展:层状岩质边坡复杂变形破坏机理、失稳模式及治理措施;水库滑坡及塌岸稳定分析、安全防控措施研究及其工程应用;倾倒岩体变形破坏与分类;工程岩体缓倾角结构面;基于量化指标的高拱坝建基岩体可利用标准和建基面选择;超高面板坝巨厚砂砾石料层“深井法”勘察与可利用性评价技术;深厚覆盖层坝基工程特性;城市地下铁道工程富水砂卵石地层勘察与评价;西北地区大型风力发电场盐渍土工程地质特性等。

宽尾墩体型对高拱坝表孔最大压力的影响

宽尾墩应用于高拱坝表孔后会增大壁面压力,在一定程度上增加了结构设计难度,为探究表孔壁面最大压力与宽尾墩体型之间的关系,采用数值计算方法研究了宽尾墩收缩比、收缩率等体型参数对高拱坝表孔流道中心线及侧墙最大压力的影响。结果表明,堰面中线与侧墙最大压力均随收缩率的增大而增大,随收缩比的增大而减小;并推出表孔流道中线及侧墙最大压力与收缩率、收缩比之间的定量计算公式,从而为表孔宽尾墩的结构设计提供参考。

基于Web增强现实的高拱坝仓面施工可视化仿真研究

针对现有的高拱坝施工仿真将浇筑坝块作为最小单元进行仿真研究,忽略了浇筑坝块仓面内部胚层间施工过程的仿真,同时仿真结果的可视化手段与现场割裂,无法在任意场景结合现场实际画面进行结果分析和方案安排的问题,提出基于Web增强现实的高拱坝仓面施工可视化仿真方法。该方法主要包括两个方面:(1)对高拱坝仓面施工过程进行分析,构建高拱坝仓面施工精细仿真模型,并通过仿真计算获得仓面施工各个工序的施工历时;(2)采用Web增强现实技术将设计信息及仿真成果注册至施工现场图像,实现了信息在真实仓面上的直观展示,并实现Web浏览器跨平台的交互分析。结合实际工程开展了研究,结果表明,该方法实现了高拱坝施工进度的精细仿真并提高了可视化水平,施工管理人员可以便捷地结合现场实际情况对施工进度进行分析管理,从而保证大坝按时竣工。