超高堆石坝工程设计与技术创新

重点阐述了坝高178 m的天生桥一级面板堆石坝工程实践、坝高261.5 m的糯扎渡心墙堆石坝工程设计和坝高310 m古水堆石坝技术方案,总结了天生桥一级面板堆石坝和糯扎渡心墙堆石坝工程设计特点与技术创新,提出了古水面板堆石坝技术方案研究的内容和方向。     

土石坝水力劈裂发生机理及模型试验研究

探讨了心墙堆石坝心墙发生水力劈裂的机理,认为在土石坝心墙中可能存在的渗水弱面以及在水库快速蓄水过程中所产生的弱面水压楔劈效应为心墙发生水力劈裂的重要条件。基于上述思想,研制了一种新型的研究水压力沿渗透软弱面渗入土体形成水压楔劈效应并诱导发生水力劈裂现象的试验装置,采用糯扎渡高心墙堆石坝心墙混合土料进行了水力劈裂试验。研究结果证实了所提出的渗透软弱面水压楔劈效应作用模型的正确性。     

压实黏土拉压组合三轴试验和扩展邓肯张模型

采用研制的卧式三轴拉压试验仪对糯扎渡和双江口心墙堆石坝心墙土料进行了常规三轴压缩试验、三轴拉伸(伸长)试验和三轴压缩–拉伸组合试验。根据试验结果,研究了压实黏土在三轴压缩、拉伸以及从压缩到反向拉伸状态下的应力应变特性。在此基础上,对邓肯张EB模型的应用范围进行了扩展,扩展后的模型可描述压实黏土从压缩到反向拉伸过程的变形特性,可用于进行土体张拉裂缝扩展问题的模拟计算。     

宽级配砾质土压实特性试验研究

宽级配砾质土随粗料含量变化呈现出悬浮–密实、密实–骨架和骨架–空隙3种不同结构,因而表现出不同的压实特性。依据等量替换法剔除超径颗粒后,对糯扎渡堆石坝心墙料的不同掺砾量的宽级配砾质土进行了重型击实试验,研究了宽级配砾质土在不同粗料含量、不同结构下的压实特性,并对击实作用下颗粒破碎规律进行了分析。试验结果表明:随掺砾量或粗料含量的增大,最大干密度呈先升后降的变化趋势;击实后颗粒破碎随粗料含量的增大而增加。     

高应力下砾石土心墙防渗料应力-应变特性试验

进行了砾石土心墙防渗料在不同应力路径下的饱和固结大型三轴剪切试验,讨论了砾石土心墙防渗料在高应力下的应力-应变关系特性,为砾石土的工程应用提供了依据。     

土石坝心墙水力劈裂的非饱和土固结方法研究

针对土石坝心墙土在初次蓄水前为饱和度高于80%的非饱和土,提出了研究心墙水力劈裂问题的非饱和土固结简化计算的有效应力分析方法。该方法不仅可反映孔隙中气体对水压上升的影响,还可合理分析心墙土的渗透性、初始饱和度和蓄水速度等心墙水力劈裂的影响因素。以糯扎渡堆石坝为例,研究发现:填筑竣工时,尽管心墙中部水压很高,但心墙仍处于非饱和状态;初次蓄水时,上游水压力不能及时渗入心墙内部,形成了心墙内外的水压力突变,可导致心墙水力劈裂的发生。同时研究发现:提高心墙的渗透系数、提高心墙填筑土的初始饱和度、在初次蓄水时,放慢蓄水速度等均可防止心墙水力劈裂的发生。因此非饱和土固结简化计算的有效应力方法分析水力劈裂问题是合理的,它可为实际心墙土石坝预防水力劈裂问题提供科学依据,并可进一步提高土石坝设计水平。     

风积细粒防渗土料掺砾比研究

某水电站设计最大坝高150 m,拟采用碎石土心墙堆石坝,但特殊的地质、地理、气候等因素导致工程区及外围缺乏优质防渗土料。通过大量的试验研究,笔者认为风积粉土(Q^eol₄)可作为天然防渗土料,其物理性质、力学特性、渗透系数等质量指标基本满足要求。但作为高坝心墙防渗体土料,力学强度相对较低,必须进行工程特性改良,即掺入人工碎砾石料。研究表明:在不同的掺砾比试验条件下,粘粒、粉粒含量随掺砾料的增加而减少,且P₅(掺砾料>5 mm颗粒含量)与最大干密度ρ_dmax、最优含水率ω_0p具有相关性;当掺砾率为40%时,压缩特性和力学强度大幅度提高的同时,渗透系数最小,因此确定其为最优掺砾率。研究成果为该坝的可行性提供了重要技术支撑,具有重大的工程意义。     

离心机模拟中渗流相似率的试验验证

结合黏性土的压缩特性和 Kozeny-Carman 方程,考虑离心加速度变化对土体固有渗透率的影响,推导了渗流速度和离心加速度的关系式。参考常规渗流试验装置的构造,并结合离心模型试验的特点,研制了常水头离心渗流试验装置。应用该装置针对糯扎渡高心墙堆石坝的心墙黏土,分别进行了常规渗流试验和 10 g , 20 g , 30 g 常水头离心渗流试验。试验结果表明： Ng （ N 倍重力加速度）和 1 g 条件下渗透系数的比值随离心加速度的增大逐渐减小,但变化范围不大,接近于 N 。研究结果对于深入认识离心模型试验中的渗流相似准则具有重要意义。     

堆石坝心墙抗水力劈裂性能研究

通过研究我国在建的糯扎渡土质直心墙堆石坝（坝高261.5 m）心墙的抗水力劈裂性能,介绍水力劈裂的断裂力学分析方法。在计算中,考虑发生水力劈裂的裂缝条件、库水进入裂缝后形成的“水楔”作用和裂缝端部应力场的奇异性;水力劈裂裂缝的扩展假定为I–II复合型裂缝问题;裂缝及其影响区的有限元模型用四节点等参单元建立;各种坝料的应力–应变关系用邓肯–张非线性弹性E-B模型模拟,裂缝处理为弹性模量很小的线弹性材料。对心墙上游面分别存在3条水平裂缝和3条竖直裂缝时心墙的抗水力劈裂性能进行分析研究。计算结果表明,该堆石坝土质心墙的抗水力劈裂能力可以保证。     

基于改进微粒群算法的高心墙坝分区优化

本文提出采用一种改进的微粒群优化方法—单群体自适应微粒群算法,经对糯扎渡心墙坝坝料进分区优化,结果与设计院的最终方案基本吻合。     

300 m级高土石心墙坝流变特性研究

300 m级高土石心墙坝的流变特性对预判坝体竣工后长期变形及沉降具有重要的意义,对于研究防渗心墙能否适应坝体长期变形并正常工作亦至关重要。依托314 m高的双江口土石心墙坝工程,使用大型高压三轴仪对上、下游堆石料进行了流变特性试验研究,研究表明当最终的应力状态一致时,堆石料的流变按照分级加载和按照单级加载得到的流变曲线随着时间的发展差异性逐渐减小,最后基本趋于一致。在试验基础上,依据流变经验模型,得出了流变分析参数,并采用三维有限元法分析了300 m级土石心墙坝的流变特征。数值分析表明流变速率对坝体工后沉降幅度影响显著,由于试验中的流变速率较之现场坝料的实际流变情况明显偏快,因此流变速率的确定还有必要依据已建工程的反分析进行修正。     

高面板堆石坝抗震安全评价标准与极限抗震能力研究

针对强震区高面板堆石坝的特点,提出了基于稳定、变形、面板防渗体系安全的高面板坝抗震安全评价和极限抗震能力分析方法,并建议了坝坡抗震稳定、坝体局部动力稳定、坝体地震残余变形、面板防渗体系的抗震安全评价标准。对坝高超过250 m的某高面板堆石坝进行了极限抗震能力分析,根据坝坡稳定性、地震残余变形、单元抗震安全性、面板防渗体系抗震安全性等多角度的评价结果,初步认为,该高面板堆石坝的极限抗震能力为0.50g~0.55g。     

金佛山沥青混凝土心墙坝二维渗流计算分析

渗透水流将会对土石坝的坝体以及坝基渗透破坏产生巨大的危害性。本文依托金佛山水电站工程,根据沥青混凝土心墙堆石坝方案的地质条件及渗流控制特点,建立了平面有限元计算分析模型,模拟了坝体和坝基在不同水位组合条件下的渗流场,重点研究了其渗透破坏的可能性,并且对防渗帷幕和坝基渗透系数的敏感性进行了分析。计算分析结果表明:各种水位组合下,沥青混凝土心墙及防渗帷幕起主要的阻水作用,防渗帷幕的水力比降较大,其安全稳定性需要重视。渗流场分布对防渗帷幕及坝基渗透系数不敏感,而渗流流量相对敏感。     

复杂应力路径下糯扎渡堆石料应力–应变特征研究

 通过对云南澜沧江糯扎渡水电站坝体I区筑坝堆石料在拟定应力路径下的三轴固结排水剪切试验数据分析,获取了堆石料的应力–应变参数。通过研究复杂应力路径下堆石料的应力–应变特征,得出了堆石料应力–应变特征将严格受控于应力路径,且试验实测应力路径与拟定应力路径相一致、不同应力状态下筑坝堆石料变形模量存在较大差异的结论。通过计算获得了复杂应力路径下堆石料的强度参数和等应力比加载条件下堆石料的变形模量。针对应力状态这一影响堆石料强度的主要因素,深入研究了其与堆石料强度之间的关系,得出了应力状态、黏聚力和内摩擦角三者之间的关系,对糯扎渡水电站大坝本构模型的建立和稳定性计算有一定意义。     

Unified modeling behavior of rockfill materials along different loading stress paths

Rockfill materials used for dam construction show obvious stress path dependency during construction process. The constitutive model for rockfill materials are mainly established based on conventional triaxial test. This brings some deviation to the numerical calculation for earth rockfill dam engineering, and it is necessary to develop a constitutive model considering stress paths effect. In the framework of generalized plasticity, plastic modulus can be expressed as the function of dilatancy equation and tangent modulus, hence the influence of stress paths on model can be transfer to the dilatancy equation and tangent modulus. This leads to a new method to describe stress-strain response of rockfill under various loading stress paths. Based on the analysis of large-scale triaxial experiments of rockfill materials with various stress paths, we proposed new dilatancy equation and tangent modulus to better describe stress paths effect and corresponding modified generalized plasticity model is established. Through the prediction and comparison of three groups of rockfill materials triaxial tests, the model established in this paper can simulate behaviors of rockfill materials under various stress paths, using only a set of parameters.     

高心墙堆石坝填筑标准的试验研究

近期建成的几座高心墙堆石坝的监测资料表明,坝体的分区变形协调性并没有达到设计目标。为此,结合建设中的长河坝300m级心墙堆石坝,开展了坝壳料的室内和现场大型相对密度试验,得到了相应的相对密度指标,并对各分区的填筑标准进行了讨论。结果表明:①由于级配为较好的分形分布、压实性优良,现场堆石区的填筑平均孔隙率达到19%,优于21%的设计指标,但相对密度仅为0.65;②根据规范要求设计的反滤2区、过渡区和堆石区的填筑相对密度在0.96～0.65之间,其压实程度存在明显差异,不易保证坝体各分区的变形协调;③采用与现场压实功能相匹配的室内相对密度试验技术,可解决高心墙坝的反滤料或面板坝的垫层料相对密度大于1的问题;④高坝堆石体的变形控制设计,需要考虑级配效应的影响,宜采用孔隙率和相对密度双控填筑指标。结论可为高堆石坝的设计与建设提供参考。     

面板堆石坝坝料力学性质试验研究

宜兴抽水蓄能电站初步设计为面板堆石坝。进行室内试验，研究堆石料的物理力学性质与级配，密度，泥岩含量的关系。试验结果表明，堆石料的最大干密度需用振动台试验获得，压实堆石料具有强透水性，低压缩性，破坏应变低，抗剪强度高，各料场级配石料均能够作为面板堆石坝的筑坝材料。在进行了不同级配和泥岩含量的堆石料试验基础上，统计分析了各力学参数与泥岩含量的关系。     

面板堆石坝新型结构离心模型试验研究

采用离心模型试验技术探讨在覆盖层上增加盖板后坝体的变形特征。共进行三组离心模型试验,分别研究增加盖板及不同覆盖层类型对坝体变形的影响,以及防渗墙在坝体蓄水前后的变形规律。研究表明:在覆盖层上设置盖板可以减小坝体沉降,同时减小坝体不均匀沉降;不同覆盖层类型增加盖板后盖板弯矩分布规律一致,但软弱覆盖层上盖板弯矩变化幅度较大;增加盖板后优化了防渗墙的弯矩,离心模型试验揭示了面板堆石坝新型结构的变形和应力分布规律,为深厚覆盖层上面板堆石坝新型结构的研究与设计提供依据。     

300m级超高面板堆石坝变形规律的研究

采用三维有限元数值分析方法研究了300m级超高混凝土面板堆石坝的变形规律。指出坝体分区、筑坝材料特性特别是流变特性是影响超高面板堆石坝变形性状的主要因素,要重视超高面板堆石坝上游部分坝体变形的鼓肚现象。建议了合理选择筑坝材料,适当提高下游堆石区填筑标准、全断面均衡填筑、上部1/3左右坝体采用变形模量较高的坝料,待坝体变形基本趋于稳定才浇筑面板以及考虑设置面板永久水平缝等工程措施来改善超高面板堆石坝的应力变形性状。