高拱坝谷幅变形机制及非饱和裂隙岩体有效应力原理研究

蓄水期谷幅变形影响着高拱坝当前工作性态和长期安全状况,但拱坝设计方法中尚没有相关的评价标准。首先总结蓄水期高拱坝坝址谷幅变形规律和常规数值方法计算的难点。从裂隙水压力的作用规律出发,在弹塑性模型屈服函数中引入静水压力,并应用于锦屏一级拱坝蓄水期计算分析。计算结果与监测值符合良好,初步解释谷幅收缩等坝址区山体变形现象。探索蓄水初期裂隙岩体的细观变形机制,提出非饱和、非贯通裂隙岩体中的有效应力原理。结果表明,裂隙水压力改变岩体平衡状态,是蓄水后坝址区岩体产生塑性变形的主要驱动力。     

蓄水期边坡及地基变形对高拱坝的影响

在高拱坝施工期和运行期,蓄水引起的边坡和地基变形是值得关注的问题。蓄水对岩体产生许多影响,包括岩体参数弱化、有效应力降低和浮托力的作用。这些现象与滑坡、坝体稳定和水库诱发地震等工程问题相关,而目前对蓄水作用的力学机制的研究仍十分有限。将边坡极限分析中的强度折减法扩展为同时考虑刚度和强度折减的有限元方法,并用于分析岩体材料的弱化。将裂隙岩体的有效应力原理应用到Drucker-Prager准则。基于锦屏一级拱坝左岸边坡变位和谷幅收缩的监测数据,将上述2种方法应用于蓄水期边坡及地基变形影响分析。结果表明,坝体具有良好的承受边坡变形的能力,仅在局部有变形和应力改变。     

溪洛渡拱坝谷幅变形机制及变形反演和长期稳定性分析

溪洛渡拱坝在蓄水后出现持续的谷幅收缩变形,且目前谷幅变形仍未收敛,对拱坝局部附属结构稳定和整体稳定有较大的影响。通过分析溪洛渡拱坝坝址区的地质条件、蓄水后监测资料变化,阐释溪洛渡拱坝谷幅变形机制,其层间、层内错动带的渗透作用和倾角走向,在谷幅收缩变形中起到了控制作用。通过考虑孔隙水压力对应力球张量和屈服面的影响,提出考虑孔隙水压力影响的弹–黏弹–黏塑非线性蠕变模型,对溪洛渡初期蓄水后变形和稳定进行了非线性有限元分析。根据蓄水初期谷幅变形的监测资料,反演岩体蠕变力学参数,预测蓄水后及长期谷幅收缩变形趋势及对坝体的影响。经过反演分析,正常蓄水位下数值计算结果与监测值吻合良好,提出的模型能较好的反映谷幅变形过程。蓄水10 a后,边坡变形趋于收敛,但整体变形量值较大,且对左右拱端的挤压显著,需要引起关注。     

考虑非饱和渗流过程的岩体变形规律分析

蓄水初期谷幅变形异常是我国特高拱坝面临的新问题,考虑岩体从非饱渗流和到饱和渗流转变过程中的变形机制亟待研究。基于岩体从非饱和渗流到饱和渗流的过渡过程,推导岩体在非饱和渗流–应力耦合作用下的控制方程,建立非饱和岩体水力耦合模型,并应用于圆柱试件和边坡入渗过程的变形分析。结果表明:岩体从非饱渗流和到饱和渗流转变过程中,饱和度的改变是引起岩体变形的重要因素之一。研究成果对揭示特高拱坝蓄水初期坝体及山体异常变形机制具有重要的指导意义。     

高拱坝蓄水期谷幅时效变形机理分析

针对国内某高拱坝工程蓄水期间出现的谷幅收缩问题,分析了谷幅变形监测资料,获取了谷幅变形的时空分布规律。在此基础上,通过建立谷幅变形的统计回归模型,对各个监测点的谷幅变形过程进行了回归分析,分离出库盘水压变形分量、气温变形分量及时效变形分量。基于回归分析成果,采用有限元方法研究了库盘水压以及渗流场变化过程中所引起的渗流力作用、基岩温度变化、材性变化以及有效应力降低等因素对谷幅变形的影响。结果表明,渗流力和基岩温度变化会引起一定的谷幅收缩变形,但变形量值和变形规律与实际不符,并非拱坝谷幅变形的主要诱发因素。谷幅变形主要是由近坝区水文地质条件的改变所触发的岸坡蠕变变形,数值模拟的谷幅变形过程与实测结果吻合较好。     

锦屏一级拱坝左岸边坡长期变形对坝体影响研究

我国已建成的特高拱坝逐渐由设计施工期过渡到蓄水运行期,其试验及监测成果表明,开挖、蓄水等扰动将加快拱坝枢纽区山体边坡的流变变形,这些长期变形对拱坝安全构成严重威胁。提出岩质高边坡长期变形对拱坝安全的影响分析方法,采用黏弹–塑性流变本构模型,计算锦屏一级左岸边坡在运行期的长期变形。以此变形为基础,引入极限分析的思想,提出基于边界位移法和变刚度的强度折减法,对边坡变形对拱坝的影响进行分析评价。边界位移法是在模型边界解除约束,施加固定位移,模拟边坡长期变形;变刚度的强度折减法是基于弹塑性和流变模型之间的内在联系,同时降低刚度和强度,来模拟边坡变形对拱坝影响,具有完备的理论基础。对锦屏一级拱坝左岸高边坡的长期变形进行分析预测,评价了拱坝承受边坡长期变形的安全度。研究表明,左岸边坡长期变形在一定程度上对坝体有益,流变稳定时,坝体屈服区、塑性余能范数都有减小,应力状况得到改善;拱坝可承受6倍以上的边界位移超载。因此,应重点关注应力集中等建基面局部区域对拱坝长期稳定性的影响。     

基于承压含水层水力响应的溪洛渡水电工程区谷幅收缩变形预测研究

溪洛渡高拱坝位于一个向斜盆地内,区域水文地质的一个典型特征是盆地内下覆有一个完整延伸的阳新灰岩承压含水层。水库蓄水以来上下游库岸边坡发生了明显的谷幅收缩变形,主要是由于水库蓄水引起承压含水层孔隙水压力增加,从而引起灰岩地层因有效应力减小而产生膨胀,以及相对隔水层底板扬压力增加所引起的。基于承压含水层水力响应规律,建立了谷幅收缩变形反演及预测的解析模型,分别预测了在变形速率小于0.01,0.001mm/d两个收敛准则下的谷幅收缩变形收敛时间以及收敛值。所建立的反演预测模型能够较好地重现谷幅收缩变形历时曲线,反映出谷幅收缩变形与库水位变化具有高度的相关性。模型预测结果显示,溪洛渡水电工程的谷幅收缩变形已趋于收敛。     

溪洛渡拱坝蓄水期谷幅变形驱动机制研究

溪洛渡谷幅变形的产生机制尚存在争议,是当前工程界的难点问题。通过对锦屏一级及溪洛渡谷幅变形典型案例的对比分析,认为溪洛渡谷幅变形具有大量值、大范围和整体性的特点。以变形加固理论的弹塑性方法作为黏塑性方法的近似,引入孔隙弹塑性有效应力,结合溪洛渡库区的水文地质构造背景,计算结构塑性变形的驱动力——不平衡力,研究水库蓄水后控制溪洛渡谷幅变形的关键位置。研究结果表明,水库蓄水后孔隙压力增加引起的不平衡力主要集中在河谷底部的玄武岩层内和层间错动面中,可驱动岩体沿结构面产生大范围变形,这可能是控制溪洛渡谷幅变形的主要机制。     

基于地质力学模型试验的大岗山拱坝整体稳定性分析

 地质力学模型试验是研究拱坝整体稳定性的有效方法,采用250∶1的模型比例尺对有基础处理的大岗山拱坝进行三维地质力学模型试验。通过小块体砌筑技术模拟裂隙岩体的变形和强度、坝基不连续结构面以及坝基处理措施;通过油压千斤顶加载系统施加坝面水荷载;采用的数据采集系统能及时、高效地测量坝面应变、坝基岩体外部位移和内部相对位移,并自动存储数据。采用超载水容重法进行超载破坏试验,得到拱坝坝体位移和应力的分布规律以及坝体和坝基岩体的开裂破坏过程。采用3个特征超载安全系数K1,K2和K3对大岗山拱坝整体稳定性进行评价。通过地质力学模型试验和基于变形加固理论的三维数值模拟对比分析表明,大岗山拱坝整体稳定性较高,并得到对拱坝–坝基整体稳定起控制性作用的部位。     

大岗山水电站高拱坝蓄水初期工作性态演化研究

高拱坝的位移、应力状态是拱坝在蓄水初期重点关注的问题。将微震监测技术与有限元数值模拟相结合,研究拱坝微震变形与坝体应力的内在关联,对蓄水初期拱坝的应力、位移变化规律进行分析,探究拱坝蓄水初期工作性态演化规律,提出利用微震事件判断拱坝真实受力状态的方法。研究表明:拱坝微震事件与坝体应力在时空分布上存在一致性,坝体高压应力的集中和迁移是微震事件萌发的内在驱动力。蓄水前,拱坝高压应力集中在坝踵区域,微震变形也聚集在坝踵区域。蓄水后,拱坝的高压应力集中区域和微震变形聚集区域均从坝踵转移到坝趾区域,同时拱坝主拉应力区域实现了从拱端到坝踵的转移。通过微震事件的Es/Ep比值累积频率分布特征可以推断出拱坝在不同蓄水时期应力集中区域的分布情况。研究成果对于研究高拱坝真实工作性态具有一定的参考价值。     

基于位移反分析的小湾拱坝稳定性评价

小湾拱坝坝体裂缝在大坝分阶段实际蓄水后开裂扩展的可能性以及裂缝对坝体应力、位移和坝体稳定性的影响,对大坝安全至关重要。通过对小湾拱坝坝体施工过程及坝体内部温度裂缝的模拟,基于多点监测资料进行非线性位移反演分析,得到符合实际的材料力学参数,进而对坝体进行三维非线性仿真计算研究,以预测坝体在下一阶段蓄水以及最终蓄水后的稳定性。结果表明,该反演分析方法反演得到的参数合理准确,预计的位移结果可靠、精度较高,能很好地对拱坝安全性进行评价;仿真分析预测成果与坝体后期蓄水后的实际监测成果和地质力学模型试验成果吻合良好,在正常水载下,坝体整体变形符合拱坝变形一般规律,同时裂缝发生开裂扩展的可能性很小;裂缝对坝体整体影响不大,对局部有影响,大坝极限开裂状态与无缝坝类似,坝面开裂均是由表面产生裂缝向内部发展,而不是由内部裂缝引发。     

李家峡拱坝左岸高边坡岩体变位与安全性态分析

实际工程中常遇到山体单薄,地质构造发育,表层岩体卸荷松弛,甚至蠕变或滑移等高边坡安全稳定性问题,因而加强对此类高边坡岩体的变位监测并对实测数据进行及时的处理与分析,对于确保工程安全具有十分重要的意义.据此,以李家峡拱坝左岸高边坡为例,探讨如何通过岩体变位监测资料来全面分析和评价高边坡安全稳定性.在对水库初次蓄水以来的谷幅位移和左岸高边坡岩体变位监测资料进行时空定性分析和变形疑点物理成因分析的基础上,应用最小二乘法建立了岩体变位各测点的逐步回归模型,并以其对测值年变幅的拟合与分离结果,定量分析水压、温度、时效等因子对高边坡变位的影响效应.研究结果表明:(1)在库水位逐步抬升至正常蓄水位的过程中,李家峡左岸高边坡岩体主要产生朝河心方向的下滑变位,但位移量相对较小;(2)库水位在2002年1月趋于相对稳定后,高边坡岩体变位逐步趋于收敛并保持稳定,目前其安全性态基本正常;(3)由于局部岩体 仍存在轻微下滑趋势,建议加强对这些部位的监测.     

乌东德拱坝坝肩三维抗滑稳定分析

 基于非线性有限元分析,采用三维有限差分程序FLAC3D,对乌东德拱坝联合坝肩岩体进行三维弹塑性数值模拟。由拱座岩体内不连续裂隙产状确定9个可能滑动楔块。将有限元计算的应力值通过插值转移到楔块滑面上,以滑面内短小裂隙建议连通率为依据折减滑面抗剪强度,采用三维矢量和法计算楔块安全系数。弹塑性计算结果表明,坝肩岩体在荷载条件下位移、应力分布基本对称河谷,但是受近坝断层F15,f42及K25岩溶系统影响,右坝肩受影响范围略大于左岸。正常蓄水条件下9个楔块具有较高的安全裕度,温升荷载导致大部分楔块稳定性降低,温降荷载主要对右坝肩稳定不利。地震荷载条件下,所有楔块稳定性大幅降低,平均降低30%,最大降低53.9%,坝肩岩体整体仍能保持稳定。     

水库枢纽区抬升变形水文地质结构模式研究

水库蓄水引起枢纽区产生抬升变形的现象在国内外水利工程中比较少见。为了解岩体水文地质结构对抬升变形的影响,通过对国内外文献研究,提出了坝基及近坝库岸边坡产生抬升变形的水文地质结构模式:即坝址区存在倾向下游或两岸的相对隔水层,且相对隔水层下存在透水性较大的水文地质结构层。采用流固耦合数值分析方法研究了相对隔水层产状要素变化对抬升变形空间分布规律的影响。研究结果表明:相对隔水层在上游库区的出露区域至坝体距离越近,下游岸坡抬升变形范围越大,抬升变形量也越大;随着相对隔水层倾向下游倾角的增大,枢纽区最大抬升位移呈先增大后减小的变化规律;隔水层倾向角的变化将引起抬升变形空间分布位置的变化。     

应力与渗流耦合作用下溪洛渡拱坝变形稳定分析

 以溪洛渡工程为例,通过对大坝基础地质条件、岩体内应力–渗流耦合作用机制的详细分析,基于现场监测数据,对大坝复杂基础的渗流耦合作用机制和渗压、水位变化规律进行分析;对比渗流场分析结果和实测结果,确定岩层的渗透参数及边界条件。建立裂隙岩体渗透特性和应力–变形的关系,采用非线性有限元方法,对施工期典型阶段的大坝基础渗流工作状态进行三维数值精细模拟分析,分析结果与现场变形和压应力监测值进行对比,得到施工期大坝复杂基础的渗透真实工作状态,预测大坝运行期的渗流工作性态,从而指导大坝现场渗控体系施工,对保证蓄水过程的施工质量和大坝安全具有重要指导意义。     

拉哇水电站上游围堰渗流与应力变形动态耦合仿真分析

深厚低渗透土层天然地基上的土石围堰基础中,常常需要采用碎石桩等处理措施缩短固结排水距离,以控制堰基超孔隙水压力的累计幅度,加速其消散速度,从而减小堰基的变形,提高防渗体系的结构安全性和堰基的抗滑稳定性。基于拉哇水电站上游围堰设计论证和优化的需要,发展了围堰填筑和基坑开挖全过程渗流与应力变形耦合的二维和三维有限元仿真方法,并在LinkFEA软件中实现,成功用于拉哇上游围堰的计算分析。主要基于二维模型,介绍了二维模型中考虑三维绕渗效应、耦合计算中水中填筑与开挖边界条件处理、防渗墙与碎石桩施工仿真,二维模型中碎石桩与土复合地基的等效概化、低渗透土层的渗透系数随着压密而变化模拟等方面的方法,进行了拉哇上游围堰从地基初始应力计算、土体填筑与结构物施工、基坑开挖的全过程的渗流与应力变形的耦合计算,并对围堰戗堤填筑完成和堰体填筑完成两个典型时刻堰基的孔隙水压力、位移和土层与桩中的应力情况进行了分析。     

复变函数法分析盾构隧道开挖引起的土体位移和衬砌变形

盾构隧道开挖引起的地层变形历来是人们所关注的重要课题。目前,既有成果较少考虑隧道衬砌与土体相互作用所带来的影响,尤其是较少针对衬砌变形进行分析,就此基于隧道椭圆化变形边界条件,提出了考虑衬砌与土体两种不同介质相互作用下的地层位移和衬砌变形复变函数解答。在该方法中,隧道埋深只影响共形映射后圆环域的环壁厚度,而解析区域依然保持圆形,具有不会对函数解析产生影响的优势;此外,该法经共形映射后保证了边界连续性,避免了既有应力函数法为保证隧道扰动土体无穷远处位移为零,而对解析解进行修正所导致物理意义不明确的缺陷。通过实例分析,得到了隧道开挖引起的地表沉降,并与实测数据进行了对比验证;通过参数分析,获取了扰动地层和隧道衬砌变形的影响规律。结果表明:复变函数解答得到的土体位移曲线与实测值吻合较好,且地表最大沉降值更接近于实测值;隧道的埋深和半径对土体位移和衬砌变形均有较大影响,衬砌厚度对其影响虽然较小,但仍不可忽略;衬砌径向位移曲线呈仰卧的鸭蛋形,关于90°/270°轴对称,拱顶和拱底被压扁,拱顶压缩量明显大于拱底,左、右两侧压缩量小于上、下两侧,表现为收缩之后又被压扁向左、右两侧突出,且随着埋深的增大,衬砌整体上浮;衬砌环向位移曲线呈侧立的苹果形,关于0°/180°轴对称,且在90°和270°处取值为零,随着隧道埋深的增大,环向位移绝对值增大。     

堆石料的湿化变形模型

堆石料的湿化变形严重影响心墙堆石坝初蓄水时的安全。通过分析堆石料单线法湿化试验数据发现,堆石料的湿化应力水平与湿化轴向应变成双曲线关系,但也有学者认为是指数函数关系,通过比较发现双曲线关系表述更佳。分析大量单线法试验数据发现,湿化过程中体积应变增量与轴向应变增量的比值保持不变。由此并根据非线性弹性理论,提出了一个堆石料的湿化本构模型,给出了湿化割线模量与湿化泊松比的表达式。与改进的沈珠江湿化模型比较,该湿化模型与试验数据拟合的更好。研究显示,采用传统Prandtl-Reuss流动法则计算得到的湿化应变在高湿化应力水平下偏小。