数字化施工下高心墙堆石坝结构性态精细数值模拟研究

为考虑实际施工质量对堆石坝结构性态的影响,提出了数字化施工下高心墙堆石坝结构性态精细数值模拟分析方法。首先,基于数字化施工技术估计得到了大坝任意位置处的坝料压实质量。其次,通过室内试验,建立了坝料压实质量与力学模型参数的回归关系模型,从而实现大坝任意位置处模型参数的空间估计。在此基础上,通过程序开发,实现了任意单元计算模型参数的精细赋值。最后,采用精细有限元模型实现了高心墙堆石坝应力变形的数值模拟,并采用精细扩展有限元模型实现了心墙蓄水期可能水力劈裂的预测模拟。计算结果显示该方法可以更好地反映大坝施工过程的变形情况,提高了计算的准确性。该方法充分考虑了大坝实际施工质量下坝料力学参数在空间上的差异性,克服了传统方法采用同分区相同坝料力学参数而导致的计算精度不足的弊端。     

混凝土面板堆石坝填筑碾压试验

为了满足面板堆石坝大坝填筑的设计要求,保证施工质量,在施工前应按照相关规范对填筑坝料分类进行现场生产性碾压试验。通过试验,论证分析设计参数的合理性,并提出符合大坝坝料填筑施工的控制参数指导过程施工。     

连续监控下土石坝碾压参数的控制标准及其确定方法

为适应连续监控下土石坝施工中对碾压参数的控制要求,提出将行车速度持续超速时间、激振力持续不达标时间、压实厚度及碾压遍数合格率作为施工全仓面碾压参数的控制指标;并在分析各碾压参数与心墙坝料压实度之间相关性的基础上,建立了碾压遍数、压实厚度、料性参数（坝料含水率和级配）与压实度的多元回归模型;进而提出了满足现行规范要求的坝料压实质量所对应的、基于Monte-Carlo法的碾压遍数合格率控制标准的确定方法。工程实例分析表明,遵循所提出的碾压参数控制标准,心墙区试坑检验的坝料压实度均满足设计要求,从而为连续监控下土石坝碾压质量的控制提供了有效途径。     

考虑流固耦合作用的高土石坝动力分析

在土石坝施工、蓄水和遭遇地震时,流固耦合作用对土石坝的静动力响应有重要影响,应在计算分析中有所考虑。以糯扎渡高心墙堆石坝为例,选用莫尔–库仑弹塑性模型来描述坝料的力学性质,并采用流固耦合的方法对该坝进行了静动力分析。静力分析中模拟了大坝施工和蓄水过程,然后基于静力分析得到的初始应力场,采用完全耦合的非线性方法研究了大坝的地震动力响应。该分析方法能够更为合理准确地描述土石坝在地震动作用下残余变形的发展及超静孔压的累积和消散过程。计算结果表明:超静孔隙水压力随地震过程逐渐累积,最大值出现在心墙的底部;由于鞭梢效应,加速度放大系数在坝顶处达到最大;水平和竖直方向的永久变形同样都是在坝顶处达到最大值。     

水电站粘土心墙堆石坝压实质量控制措施

粘土心墙堆石坝压实质量控制是土石坝实施工作过程中的首要问题,根据施工各项目质量测评的要求,正确计算出击实、碾压试验、压实标准、压实度、碾压参数以及最大干密度的参数数据信息,严格控制压实质量。探讨了不同击数的试验和不同粘土的颗粒直径对检测结果的影响,引出压实度的概论。通过对影响土料压实效果因素的分析,得出土石坝压实质量控制措施的建议。     

基于实时监测的高等级公路路基压实质量快速评估

高等级公路路基压实质量通常采用的事后抽检方法不能满足碾压过程中对压实质量的实时、连续监控的要求,且用有限的检测点去评估整个工作面的压实质量往往存在较大偏差。利用研制开发的路基压实效果实时监测装置,自动在线采集路基压实监测值(CV),进而在分析CV与路基弹性模量、压实度的相关性的基础上,建立以CV为变量的路基压实质量的评估模型,提出路基施工全工作面压实质量的快速评估方法,实现施工工作面任意位置处压实质量的估计及整个工作面压实质量合格率的分析。该方法可有效避免事后抽检方法的片面性和滞后性,为高等级公路路基压实质量的实时控制提供一条新的途径。     

混凝土面板堆石坝施工数字化管理系统应用技术

面板堆石坝是一种伴随着碾压机械设备使用性能整体提升而发展起来的坝型.因此,碾压参数的确定与监控实施直接关系到大坝建设质量.然而,凭借人工现场监控、试坑法这些传统方式进行施工质量监测,已经无法满足现代化机械施工质量与进度控制要求.为了解决这一难题,在混凝土面板堆石坝施工领域内引进了数字化管理系统,使管理水平实现了根本性提...     

高混凝土面板堆石坝地震损伤机理研究

以紫坪铺面板堆石坝为例,基于堆石料的黏弹性模型和地震残余应变模型计算分析了高混凝土面板堆石坝的地震响应,并结合震害调查结果分析了高混凝土面板堆石坝的地震损伤机理。研究表明,输入地震加速度在坝顶附近和坝坡表面显著放大,呈现出显著的鞭梢效应,导致坝顶和下游坝坡上部堆石体松动滚落。地震导致大坝堆石体产生显著剪缩,坝体断面整体向内收缩,刚性混凝土面板与垫层料之间脱空,脱空后面板与垫层料之间的摩擦力大幅减小甚至消失,面板在自重和地震惯性力联合作用下向下滑动,致使面板水平施工缝发生错台,面板表面产生裂缝。地震还导致岸坡附近左右坝段堆石体向河谷中央位移,致使岸坡附近面板垂直接缝发生拉伸破坏,河床中部垂直接缝及附近混凝土面板发生挤压破坏。数值计算和震害调查结果均表明,高混凝土面板堆石坝的地震损伤现象主要与其堆石体地震残余变过大,以及堆石体与防渗系统之间变形不协调密切相关,故强震区修建高面板坝应尽可能提高堆石体压实密度,以减小坝体的地震残余变形。     

清江水布垭面板堆石坝坝料填筑最优碾压参数试验研究

根据各料区碾压试验干密度与碾压遍数及洒水量的关系确定了不同料区最优施工碾压参数，指出了ⅡA区应特别注意的问题，分析了料源和堆石粒径大小与干密度的关系。试验确定的最优施工碾压参数不但可以加快施工进度、减少工程投资，而且为水布垭堆石坝大规模坝料填筑施工提供了可靠的质量保证，经水布垭大坝一期填筑工程检验，效果良好。     

基于强度折减法的管廊双翼搭板台背压实技术

有限空间台背回填压实度问题对市政道路工程的影响在短时间内很难被察觉,且极难通过有效的现场试验进行分析.应用强度折减法模拟回填料压实度的变化的理念突破了传统的边坡稳定分析应用范畴,以回填料的强度、黏聚力为主控因素,建立了"管廊双翼搭板"地层-板相互作用力学模型,综合利用理论分析、数值模拟分析了"管廊双翼搭板"施工力学效应,揭示了板-土结构相互作用机理,提出了"管廊双翼搭板"设计计算方法.该方法避免了有限空间回填料压实度变化过程中路基与路面结构受力体系频繁转换问题,提高了结构质量与安全,降低了返工成本.     

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。     

考虑堆石料空间变异性的土石坝地震反应随机有限元分析

探讨了一种将随机场模拟技术与有限元方法相结合的随机有限元法在土石坝地震反应分析中的应用途径。采用局部平均细分法模拟堆石料物理力学性质随机场,使得能够考虑堆石料的空间变异性。提出尽量利用建立材料物理性质与力学性质关系的计算模型,以降低获取材料力学性质统计特性信息的成本。以一实际工程为例,采用该随机有限元法计算了堆石料的干密度、孔隙比、不均匀系数、平均粒径、Duncan–Chang E–B模型模量系数以及初始摩擦角具有不确定性时土石坝的随机地震响应及永久变形。结果表明:筑坝堆石料的不确定性会使大坝响应及永久变形发生一定程度的离散;忽略材料的不确定性可能导致低估大坝的地震反应;表征大坝地震反应的各性能指标并不一定都符合正态或对数正态分布。     

基于非线性剪胀模型的面板堆石坝应力变形分析

介绍了一种力学概念明确、简单实用的非线性剪胀模型,给出了本构关系的刚度系数矩阵,应用该模型对某堆石坝工程的堆石料真三轴试验进行了计算模拟,并与试验成果进行比较,验证了模型的合理性。在此基础上,分别采用非线性剪胀模型和邓肯E–B模型完整模拟了坝体分层填筑、面板分期以及分期蓄水全过程,对坝体应力与变形、面板应力与变形计算成果进行对比分析,验证了非线性剪胀模型在面板堆石坝静力有限元分析中的适用性。     

Compaction quality assessment of earth-rock dam materials using roller-integrated compaction monitoring technology

The compaction quality of earth-rock dams is normally controlled through compaction parameters (i.e., compaction passes, roller velocity, vibration status, and compacted thickness) during construction and random spot tests after construction. However, using limited spot samples to represent the construction quality of the entire work area can be unreliable and misleading. Additionally, given the time-consuming process, the spot testing method leads to delays in rectifying compaction quality issues at the jobsite. This research utilized roller-integrated compaction monitoring (RICM) technology combined with real-time kinematic global positioning systems (RTK-GPS), adopted compaction value (CV) as a real-time monitoring index for the dam compaction quality, and subsequently proposed a CV-based assessment method to estimate the compaction quality of earth-rock dam materials. Furthermore, the Kriging interpolation method was adopted to obtain estimates for both CVs and compaction quality at any location on the working area, enabling the analysis of the passing rate of compaction quality for the entire work area. A case study on the NZD Project in China indicated that the CV is highly correlated with the compaction parameters, the compactness of the gravel-mixed cohesive soil, and the dry density of rock-fill dam materials; therefore, it can serve as a reliable index for monitoring compaction quality. Quick and continuous assessments of compaction quality on the entire work area can be achieved using the proposed method, which provides a basis for informing the construction with timely feedback information to effectively avoid quality defects and to improve the construction quality of earth-rock dams.     

Strength and stiffness parameters for hardening soil model of rockfill materials

In recent years, an increasing number of rockfill dams have been constructed in many developing countries around the world. One difficulty in the engineering design and construction of rockfill dams is the characterisation of the rockfill materials. Thanks to advancements in computational geomechanics, a finite element analysis is usually employed in geotechnical engineering design. To perform such analyses, a proper constitutive model with relevant parameters that reflect the stress–strain-strength characteristics of rockfill materials are required. This study presents a procedure to determine the strength and stiffness parameters of rockfill materials that can be used with the Hardening Soil (HS) model to characterise the behaviour of rockfill materials. Based on triaxial and oedometer test results, a set of HS model parameters can be determined. To implement and validate the procedure, six rockfill materials from the Nam Ngum 2 Dam construction project in Laos PDR are employed in this study. The influences of stress level and particle breakage on the stress–strain/volumetric-strain behaviours of rockfill materials are discussed. Finally, the procedure to determine the material parameters for rockfill materials presented in this study can also be applied to other rockfill materials.     

Modeling of Gravelly Soil with Multiple Lithologic Components and its Application

The behavior of a gravelly soil with multiple lithologic components was investigated using large-scale compression and triaxial tests based on the research scheme “separating before mixing”. A series of test results showed that the behavior of a gravelly soil with multiple lithologic components was significantly dependent on the identity and proportions of the lithologic components. A new constitutive model was established to capture the main behavior of a gravelly soil with arbitrary lithologic proportions using few parameters based on the presentation of an elasto-plasticity model and the deformation mechanism of a complex soil. The parameters of this model can be determined using triaxial tests of a simple soil with a single lithologic component. The numerical efficiency of the model was confirmed by successful application to several high rockfill dams. Three-dimensional finite element (FEM) stress-strain analysis results for the Jishixia concrete-faced rockfill dam were obtained as important references for the selection of rockfill and optimizing the design of the dam.     

高心墙堆石坝坝基廊道受力特性研究

在中国水资源最为丰富的西部地区,河床覆盖层厚达数十米甚至百米,一大批土石坝正在和将在这些大江大河上建设。坝体心墙与坝基防渗墙多采用廊道这种结构型式进行连接,廊道受力条件复杂,是工程成败的关键,但是有些已建工程却出现了廊道漏水的现象,廊道开裂和结构缝破坏成为亟待解决的问题。为了对廊道受力情况和开裂规律有一个清楚的认识,分析总结了几个工程廊道的监测资料,同时基于混凝土非线性本构理论,建立有限元模型对廊道进行了数值模拟。对监测结果和数值计算结果进行对比分析之后,探讨了廊道中的结构缝问题和廊道整体的受力规律,指明了廊道中需要重点关注的易开裂部位,为廊道合理配筋提供了指导,同时为类似工程的决策提供参考。     

基于表面沉降法的堆石坝现场碾压试验分析

长河坝是目前国内已建成的高度第二、填筑总量第一的世界级高堆石坝,主体部分是以当地石料填筑的坝壳体,其碾压密实质量直接影响坝体施工及运营期的变形稳定。长期以来,堆石体的压实质量主要依靠挖坑测试法通过干密度指标来评估,不仅费时费力,且误差较大。依托长河坝水电站坝体堆石料的现场碾压试验,采用表面沉降法对压实质量进行评估,并与现场挖坑灌水法实测得到的密度进行对比。结果表明:采用表面沉降法计算的密度与挖坑灌水法实测密度基本吻合,现场压实质量可以通过沉降量或沉降率来控制;表面沉降法操作简单,可有效保证填筑质量,加快施工进度,为堆石体碾压特性研究提供了新的途径,具有较好的实用价值。     

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。