高面膜堆石坝运行状态下土工膜双向拉伸力学特性——高面膜堆石坝关键技术(三)

针对目前我国土工膜防渗工程设计依然以单向拉伸试验结果为依据,而土工膜在堆石坝面防渗体实际运行中却处于双向拉伸应力状态的问题,采用自主研发的2种双向拉伸试验装置对堆石坝面防渗土工膜的双向拉伸力学特性进行试验研究。对堆石坝防渗常用的几种土工膜分别进行了不同双向拉伸状态下的力学特性试验,并和单向拉伸试验结果进行对比,得到了双向拉伸状态下土工膜的拉伸强度、延伸率、弹性模量和泊松比等力学参数以及真应力-真应变关系曲线。试验结果揭示了高面膜堆石坝防渗土工膜在真实工作状态中的受力变形特性及破坏机理,为面膜防渗体设计计算和受力变形数值分析提供了一定的理论基础和计算依据。     

土工膜缺陷对土石坝渗流特性的影响及控制措施

由于土工膜因缺陷导致的渗漏问题可能对土工膜防渗土石坝工程安全造成隐患,为此模拟不同的土工膜缺陷大小和位置,分别采用剔除单元法和渗透系数放大法对存在缺陷的土工膜坝面防渗土石坝进行饱和-非饱和三维渗流场有限元数值仿真计算,分析土工膜不同缺陷条件下大坝整体及局部渗流场变化规律。计算结果表明:土工膜缺陷渗漏仅对缺陷附近坝体局部渗流场分布产生较大影响,对大坝其他部位影响不大;土工膜缺陷位置越低,缺陷处水头越大,缺陷渗漏量增加越明显,并使缺陷处膜后坝体浸润线局部抬高。最后,针对土工膜缺陷渗漏提出了若干工程设计控制措施。     

横缝开合状态对高坝深孔结构力学行为影响

横缝开合状态对高坝深孔结构力学行为有重要影响。建立了考虑不同横缝初始间隙及其开合行为影响的高坝深孔分析模型,分别从“结构变形、开裂状态、应力分布及实际配筋受力状态”4个角度,结合实际工程,获取了横缝开合状态影响下孔口结构的力学行为特征,弥补了传统高坝深孔结构分析中因简化横缝状态而造成的设计偏差。研究表明,横缝初始间隙越大,高坝深孔结构变形、开裂、应力及钢筋受力等力学行为特征越趋于不利状态,结构受力性能明显降低,正确描述横缝开合状态是分析深孔真实力学行为乃至合理配筋的重要保障。     

横缝开合状态对高坝深孔结构力学行为影响

横缝开合状态对高坝深孔结构力学行为有重要影响。通过建立考虑不同横缝初始间隙及其开合行为影响的高坝深孔分析模型,分别从“结构变形、开裂状态、应力分布及实际配筋受力状态”四个角度,结合实际工程,获取了横缝开合状态影响下的孔口结构真实力学行为特征,弥补了传统高坝深孔结构分析中因简化横缝状态而造成的设计偏差。研究表明,横缝初始间隙越大,高坝深孔结构变形、开裂、应力及钢筋受力等力学行为特征越趋于不利状态,结构受力性能明显降低,正确描述横缝开合状态是分析深孔真实力学行为乃至合理配筋的重要保障。     

竖缝位置对竖缝式鱼道水力特性的影响

为了分析竖缝位置对竖缝式鱼道池室内水力特性的影响,采用RNG k-ε湍流模型和速度-压力耦合SIMPLE算法对不同工况的鱼道进行了数值模拟。模拟结果表明:竖缝位置对主流的形态、主流流速的衰减及竖缝处流速分布影响不大;竖缝位置改变了主流区在池室内的位置,进而影响回流区的分布、大小和流场,竖缝位置距池室侧壁为池室宽度的25%~35%时,池室内水流流态较合理,能够显著提高过鱼效率。     

随机多缺陷条件下土工膜防渗土石坝渗漏特性

由于土工膜缺陷渗漏可能对土工膜防渗土石坝的防渗安全性造成隐患,采用饱和-非饱和渗流有限元理论,对坝面防渗土工膜多缺陷随机分布下的典型土石坝进行三维渗流场有限元模拟,合理考虑土工膜缺陷的数量、类型、位置、大小及其分布,重点分析土工膜的渗透量和缺陷渗漏量及膜后浸润面的变化规律。结果表明:与单缺陷条件下大坝渗流特性相比,坝面完好部分土工膜的渗透量变化不大,但多缺陷引起的渗漏量明显增大,导致大坝的总渗流量大幅增加。多缺陷会引起膜后坝体浸润面整体抬升,但局部浸润面高度变化与缺陷位置和数量明显相关,所在剖面缺陷位置越低,数量越多,浸润面抬升越明显。另外,膜后垫层水头局部分布规律与相邻缺陷渗漏的交叉效应相关。     

基于竖缝隔板的大底坡鱼道水力优化数值模拟

为了优化大底坡竖缝式鱼道池室水力特性,在验证物理模型的基础上,构建三维水动力数学模型,考虑5种大底坡坡度对竖缝有无隔板及竖缝隔板不同安装高度的池室水力分布进行了数值模拟分析。结果表明,竖缝设置隔板能有效减小池室最大流速和平均湍动能;当底坡为1/20时,池室最大流速下降率为10.16%~14.84%,平均湍动能下降率为21.88%~42.19%,主流最大流速衰减率为61.24%~61.82%,池室内形成了小流速、低湍动的Ω形连续性水流;改变竖缝隔板安装高度会影响隔板上下水深处的竖缝流速大小,但对隔板上下水深处的流速、湍动能、应变率的分布规律无显著影响。     

损伤土工膜液胀强度试验研究

对存在不同划痕损伤的土工膜进行了液胀试验,结果表明,损伤土工膜的最大应力均随划痕深度的增加而减小,而最大应变并不随划痕深度的增加而减小;在支承孔径、膜厚、应力水平相同的情况下,随着损伤程度的增加,膜的切线变形模量变小;膜的液胀强度随膜的损伤程度的增大而减小,呈二次指数关系.损伤土工膜与无损土工膜之间在液胀状态下的强度存在较大差异.     

基于双电极法的土工膜缺陷探测数值模拟

利用电场与渗流场控制方程及边界条件相似的原理,对含缺陷的防渗土工膜上的电位分布进行有限元模拟,获得缺陷附近的电位分布特征,进而判断缺陷位置。此外,对电极埋设位置、施加电压值和探测间距等因素进行敏感性分析。计算结果表明:双电极法可有效确定土工膜缺陷位置,土工膜缺陷越靠近励磁电源电极,越有利于缺陷的准确探测;沿着缺陷中心线方向进行探测,可高效探测缺陷位置;移动探测仪的电极间距应以探测长度的5%~10%为宜。研究成果对双电极法用于土工膜缺陷探测有理论指导意义。     

横缝深度对重力坝自振特性的影响

采用三维非线性有限元法建立了重力坝横缝、坝体和地基模型,并分别考虑不计入和计入库水作用的空库和满库2种工况对不同横缝深度的坝体模型进行对比分析,对于满库工况,忽略库水的可压缩性,以坝面附加质量计入。结果表明,第1阶振型以上下游摆动为主,在动力响应的贡献中第1阶振型的贡献最大;随着横缝深度的增加,坝体的自振频率也相应地减小,横缝深度过大会对坝体应变非常的不利,坝体严重扭曲,坝体整体协调性最差;倘若坝体不分缝,坝体整体性较强,但对坝体应力不利。因此,如何恰当地设计坝体横缝深度尤为重要。     

高土石围堰复合土工膜防渗三维有限元分析

如何在三维有限元计算中反映复合土工膜的力学特性是亟待解决的技术难题。总结了现有的土工膜数值模拟方法,在三维有限元计算中采用薄膜单元来模拟土工膜,建立了某高65 m的高土石围堰土工膜防渗三维有限元模型,土工膜与上、下游坝料接触部位均设置接触。为模拟施工填筑与蓄水全过程,分别计算了土工膜边界柔性约束与刚性约束2种工况。结果表明:薄膜单元较好地反映了土工膜柔性抗拉材料的力学特性,能适应三维有限元数值模拟中常用的分步填筑施工模拟法,且后处理中能直接展示土工膜的位移、应力云图,具有方便高效的特点;土工膜边界柔性约束位移分布均与刚性约束相同,只是最大主应力及拉应力分布区域略小于刚性约束,计算结果符合土石坝工程的一般规律。     

土工膜的有关物理力学性试验研究

结合云南省罗平县大麦田水库喀斯特库区补漏加固工程,选取了目前国内外广泛采用的若干种型号PE膜,进行了单一膜、膜与土工布组合、膜与土工布复合等不同形式组合下的拉伸、撕裂、顶破、渗透等多项有关物理力学性试验研究,优选出了适合喀斯特库区防渗的土工膜材料,并从中得出了土工膜的一些重要工程特性。     

复合土工膜缺陷渗透量试验观测

结合某复合土工膜斜墙坝工程材料实际情况，自行设计试验装置，进行复合土工膜缺陷渗透量试验研究，经长期观测得到复合土工膜在不同缺陷孔径、不同水头作用下的缺陷渗透量实测值。分析了复合土工膜的缺陷渗透作用机理及相关因素对其影响，为土工膜的防渗设计提供依据。     

我国水库大坝土工膜防渗工程进展

为促进我国水库大坝土工膜防渗工程的健康、快速发展,对其发展历程进行回顾、梳理。总结了将土工膜用于水库大坝防渗的优点,即防渗性能高、适应变形性强、施工方便、质量易于控制、工程整体造价低。指出尽管已建成的大中型土工膜防渗工程运行正常,但土工膜仅在我国中小型工程中应用广泛。通过对比国内外水库大坝土工膜防渗工程的发展现状,分析了国内外发展差距较大的原因,即缺乏国际交流的外部环境,缺乏自主研发的内部动力,以及缺乏规范的适时认可。认为随着建设经验和技术储备的积累,科技成果传播的畅通迅速,从业人员对该项技术的认识深入,我国水库大坝土工膜防渗工程具有较大的经济、社会效益潜在优势。     

基于声发射技术的混凝土动态劈拉试验研究

为了研究混凝土材料在受拉状态时的动态力学性能,采用新型动态无损检测声发射技术进行了不同加载速率下(10^-5/s ,10^-4/s,10^-3/s,10^-2/s)混凝土劈拉试验,根据实时采集的声发射数据建立了不同加载速率下应力及同步声发射参数与时间的对应关系,并在此基础上分析了混凝土在劈拉破坏全过程中的能量释放特性及规律。结果表明混凝土在劈裂抗拉破坏过程中不具有典型的三阶段特征,加载前期产生的声发射信号较微弱,材料达到峰值应力时能量信号突然急剧上升;采集的声发射数据能真实地反映混凝土劈拉破坏特性。     

土工膜在水关河水库土坝防渗处理工程中的应用

水关河水库土坝渗漏严重，针对这一问题，决定采取加深加长混凝土防渗墙及上游铺设土工膜防渗治理措施．土工膜选用泰安塑料厂生产的低密度聚乙烯土工膜，采取顺铺法（顺坝轴线方向铺设）铺设．土工膜的焊接采取场外、场内焊接相结合的焊接方式，其优点在于可加快焊接施工速度和提高焊接质量．实践证明，水关河水库土坝上游坝面土工膜防渗处理工程起到了防渗作用，防渗效果令人满意．     

土工膜界面动力剪切特性数值模拟及应用

利用改装的土石料大型剪切仪对土工膜-砂砾石界面开展循环剪切试验,获得土工膜界面在不同竖向压力下的滞回曲线、主干线和阻尼比曲线,建立相应的剪切劲度和等效阻尼比数学模型。在此基础上对循环剪切试验开展有限元数值模拟,所得计算结果与试验值总体吻合较好,合理反映了土工膜界面循环剪切过程的非线性和滞后性,验证了所建土工膜界面本构模型的正确性。进一步将模型应用于土工膜防渗土石坝的抗震分析中,计算得到的坝面土工膜的动位移、加速度、动主拉应变和动主拉应力符合一般规律,表明所建本构模型用于土工膜防渗土石坝抗震分析是正确可行的。     

电势差法在复合土工防渗膜渗漏位置探测中的应用

针对复合土工膜防渗的垃圾填埋场,利用土体电阻率较小而土工膜相对绝缘的特性,自行设计试验仪器,在土工膜两侧施加电场,膜上定点测量电势差的方法,判定防渗膜渗漏孔洞的位置。经开挖验证,实际的土工膜破损处与测量结果准确对应,并通过现场验证试验,反演了一种判定土工膜渗漏破损面大小及位置的方法。更多还原