考虑岩体开挖卸荷动态变化水电站坝肩高边坡三维稳定性分析

金沙江一双曲拱坝最大坝高277 m,左岸坝肩开挖边坡高约300 m;右岸坝肩开挖边坡高约480 m,由于坝肩槽开挖所形成的边坡属于高陡边坡,其开挖后的稳定状况会极大影响大坝的正常运行。通过对坝址区地质资料的详细分析,建立坝肩边坡三维计算模型,并结合卸荷岩体力学理论,通过弹塑性有限元法研究坝肩边坡在开挖过程中的动态稳定性。研究结果表明：该高边坡在开挖过程中及开挖后,除开挖面附近局部区域不稳定外,整体并无失稳趋向;考虑岩体在开挖过程中的动态卸荷过程后,边坡岩体的位移和塑性区面积比不考虑时有所减小;岩体的破坏区随着开挖的进行不断变化,可根据每步开挖后岩体的破坏情况选择合理的加固措施及加固时间。     

考虑岩体开挖卸荷动态变化水电站坝肩高边坡三维稳定性分析

金沙江一双曲拱坝最大坝高277 m,左岸坝肩开挖边坡高约300 m;右岸坝肩开挖边坡高约480 m,由于坝肩槽开挖所形成的边坡属于高陡边坡,其开挖后的稳定状况会极大影响大坝的正常运行.通过对坝址区地质资料的详细分析,建立坝肩边坡三维计算模型,并结合卸荷岩体力学理论,通过弹塑性有限元法研究坝肩边坡在开挖过程中的动态稳定性.研究结果表明:该高边坡在开挖过程中及开挖后,除开挖面附近局部区域不稳定外,整体并无失稳趋向;考虑岩体在开挖过程中的动态卸荷过程后,边坡岩体的位移和塑性区面积比不考虑时有所减小;岩体的破坏区随着开挖的进行不断变化,可根据每步开挖后岩体的破坏情况选择合理的加固措施及加固时间.     

佛顶宫矿坑边坡的二维静动力有限元模拟分析研究

对国内首个既有矿坑地下空间开发项目的佛顶宫边坡进行了二维有限元研究,对静力工况和地震工况分别进行了模拟,得到一些结果:静力和地震工况下,削坡及锚索(杆)加固后,最大位移均发生在坡顶、坡面为填土、残积土和强风化岩处;最大应力均发生在坡内,最大剪应力发生在各坡脚和岩土交界面处;加速度响应随着边坡高度方向呈放大趋势,表层土体加速度响应明显放大,最大加速度响应均发生在坡顶边缘处;极限状态下,广义塑性应变区集中在坡顶杂填土层、坡面破碎状中风化岩以及岩土交界面处,并有向坡脚处贯通的趋势。静力工况下,锚索(杆)加固工况相对于削坡工况,边坡位移减小6%~67%,安全系数提高51%~114%,说明锚索(杆)加固效果显著。地震工况下,位移随地震峰值显著增大,大震相对小震位移最大增大260.0%。相对于静力加固工况,地震工况下主应力最大增大145.8%,剪应力最大增大362.5%;不同地震工况对边坡稳定性影响显著不同,大震工况下安全系数最大减小38.3%。锚索(杆)加固效果及地震对边坡加速度、位移、应力、安全系数的影响可供其他类似工程参考。     

软硬互层边坡岩体的蠕变特性研究及稳定性分析

岩体的蠕变性是影响边坡变形与长期稳定性的重要因素之一。以清江水布垭坝址区马崖高边坡为例，针对边坡内具代表性的软岩和硬岩，通过开展室内岩石压缩蠕变试验，研究了不同类型软、硬岩石的蠕变破坏特征，据此建立了岩石的流变本构模型并进行参数辨识。在此基础上，应用三维粘弹塑性方法对马崖高边坡的时效变形及稳定性进行数值分析，探讨了边坡在开挖卸荷及泄洪冲切（运行期）等工程荷载作用下岩体的蠕变变形及塑性区发展。研究结果表明，软硬互层边坡岩体的蠕变效应十分显著，对于大规模开挖的岩质高边坡而言，岩体的蠕变特征不仅影响到边坡的位移量值，而且改变了边坡的位移形态。在工程长期运行过程中，岩体蠕变引起的应力场变化使得坡体内塑性区分布由坡面向坡内延伸，按流变10a计，其延伸深度可达数十米。     

顺层岩质边坡地震动力响应及地震动参数影响研究

 利用FLAC2D建立顺层岩质边坡模型,分析其在地震作用下的动力响应规律,研究地震动参数对其动力响应的影响。结果表明：顺层岩质边坡在地震作用下失稳主要由结构面控制,位移主要发生在潜在滑移面上部岩体中;对地震波存在垂直向和临空面放大作用,其滤波作用没有土质边坡明显,不同岩层会对某一频率的波产生明显的放大效应;当振幅、卓越频率增加时,坡肩下方的加速度放大系数呈递减趋势,且在强度相对较低的岩体内较明显,但随着振幅增加,边坡动力响应增强;各处加速度放大系数受地震动持时影响较小,剪应变增量受其影响较大。当振幅、持时增加时,边坡位移呈增大趋势;当卓越频率增大时,边坡位移减小。同时,证实了地震边坡破坏由上部拉破坏与下部剪切破坏组成,研究结果有助于进一步揭示边坡在地震作用下的失稳机制。     

巴中黑山坡平推式滑坡稳定性研究

文章针对巴中市黑山滑坡特征,建立了该滑坡区的三维数值分析模型,对该滑坡进行了稳定性及动力特性稳定性研究。分析结果表明:在自重工况下,位移变化连续且相差较小,边坡基本处于稳定状态,其剪切应变显示出潜在滑动面;地震工况下,滑坡坡肩加速度峰值较大,坡脚加速度波动最小;坡肩与上坡腰处的位移不能趋于稳定,而下坡腰与坡脚处的位移能趋于稳定;坡肩与上坡腰在地震工况下剪切应力曲线相近,以上成果对于类似边坡稳定性及抗震设防提供较好的认识资料。     

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。     

锦屏一级水电站左岸坝肩高边坡长期稳定性数值分析

锦屏一级水电站左岸坝肩高边坡长期稳定性事关该水电站的正常安全运营。为充分掌握左岸岩石高边坡长期稳定性,建立了含f5,f8,f2,f42–9和煌斑岩脉X等软弱结构面的地质力学模型,并采用西原模型及有限差分数值计算方法,模拟正常蓄水位下左岸边坡岩体的长期力学行为。数值分析结果显示:左岸坝肩高边坡蠕变数值计算结果与现场监测数据总体位移变化趋势基本一致;经过一段时间后,边坡岩体蠕变位移变化基本趋于稳定,蠕变速率逐渐趋于恒定,西原模型可以反映锦屏一级水电站左岸边坡岩体的蠕变变形特性;在f5,f8,f2,f42–9和煌斑岩脉X出露区域以及开口线外危岩体边坡、1 960 m高程以上缆机平台边坡、1 885~1 960 m高程开挖边坡、"大块体"、PD44X平洞深部岩体等部位的蠕变位移变化比较明显;特别是拱肩槽1 730 m高程开挖平台与软弱结构面交汇部位,由于受到拱坝的拱端推力作用,蠕变变形更为明显,应重点关注,加强监测力度。     

基于有限元法的岩质边坡地震稳定性数值分析

基于有限元法,采用三维非线性时程分析,运用强度折减理论,通过位移突变性判据和塑性区贯通判据综合分析岩质边坡在地震工况下的稳定性。在三维有限元模型中,通过设置黏弹性人工边界来吸收地基的辐射阻尼效应,充分考虑由岩体自重产生的地应力场和岩脉及断裂破碎带对稳定性的影响。分析结果表明:以位移突变为稳定安全系数的一项判据,沿边坡高程分布的特征点位移突变对应的动力稳定安全系数均大于1.35;以塑性区贯通为稳定安全系数的一项判据,随着安全系数的增大屈服区逐渐增大,安全系数较小时塑性屈服区小;当安全系数达到1.35时坡脚位置局部出现大量的屈服塑性区;当安全系数继续增大时,开挖边坡位置屈服塑性区出现贯通;安全系数超过1.5时边坡出现破坏。联合考虑位移突变和塑性区贯通进行安全系数判定得到动力稳定安全系数为1.35,满足要求。     

陡倾顺层断裂带黄土–泥岩边坡动力响应振动台试验研究

以甘肃天水地区典型黄土–泥岩滑坡为原型,采用顺层倾角80°的断裂带黄土–泥岩边坡概念模型,通过输入峰值加速度逐级增大的地震波,设计并开展比例尺为1∶20的振动台模型试验,结合数值模拟,揭示陡倾顺层断裂带黄土–泥岩边坡地震动力响应规律以及失稳模式。研究结果表明:加速度动力响应在坡面处具有趋表效应,在断裂带处放大效应明显大于两侧地层;峰值加速度a=0.3 g是边坡地震响应的临界点,断裂带上盘放大效应、竖向与水平向动土压力响应在此临界点上下的响应性状与特征不同,当a≤0.3 g时边坡断裂带上盘放大效应不明显,竖向动土压力响应与上覆地层厚度呈正相关,水平向动土压力响应在坡肩处最强烈,在断裂带处呈整体降低趋势,而当a0.3 g时边坡断裂带上盘放大效应显著,竖向动土压力受断裂带和上覆地层厚度共同控制,且坡脚处的地震响应强烈;地震作用下陡倾断裂带黄土–泥岩边坡失稳模式为震裂滑移式破坏,其中上盘震裂裂隙分布区范围是下盘的1.5倍,这是陡倾断裂带边坡具有一定的断裂带上盘放大效应的又一佐证。     

基于降强法数值计算的复杂岩质边坡动力稳定性安全评价分析

分析复杂岩质边坡在地震荷载作用下的动力稳定性的特点,提出基于降低材料强度算法的动力稳定性分析方法。先将软弱结构面抗剪强度指标降低,进行静力计算,在此基础上,再进行动力稳定分析,综合评估边坡的动力稳定性与降强倍数的关系,将边坡处于临界稳定状态下的降强倍数定义为动力稳定安全系数。借助数值计算程序,将上述方法应用于国内某拱坝坝轴线左岸岩质边坡的动力稳定性分析,取得满意的成果。     

辉绿岩脉复合灌浆试验加固效果研究

 选择代表性试验区,采用高压水泥–化学复合灌浆技术,对辉绿岩脉的灌浆加固处理开展灌浆工艺、加固效果和机制等试验研究。试验中对微细裂隙发育的辉绿岩脉进行高压水泥灌浆后再进行化学复合灌浆,水泥浆液采用普通硅酸盐水泥,化学浆液采用固结性能良好的CW系环氧树脂。复合灌浆后的辉绿岩脉单孔纵波速度可达5 153 m/s,变形模量为11.4～21.8 GPa,试验区岩体的连续性、整体性及均一性改善显著。复合灌浆达到预期效果,辉绿岩脉力学指标满足建坝要求,灌浆工艺参数合理,可直接指导大岗山水电站基础处理施工。经初步探索,该复合灌浆加固岩体的实质可归纳为：固结灌浆改善了岩体结构面力学特征及其组合关系,使其整体刚度增大;微细裂隙的良好胶结,使其端部应力集中被降低或消除,岩体屈服极限增大,强度提高。     

叶巴滩高拱坝抗震安全分析与评价

叶巴滩高拱坝是《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047-2015)在2015年9月1日正式颁布实施后,水电水利规划设计总院审查批复同意的第一座高坝水电站工程。新规范在地震输入、材料参数取值、设防等级、评价方法等多个方面进行了修订,本文介绍了按照新规范要求进行的叶巴滩拱坝动力分析与抗震安全评价的研究成果,以及采取的相应抗震措施。根据分析成果综合评判可知,叶巴滩拱坝基础约束区、上游坝踵区域、下游面坝体中部以及左右岸拱座抗力体是分析得出的拱坝抗震关键部位,在设计地震作用下大坝是安全可靠的,在最大可信地震作用下大坝也能够保持稳定。     

基于微震监测与数值模拟的大岗山右岸边坡抗剪洞加固效果分析

 大岗山水电站坝址区右岸边坡高、陡,地应力较高,发育有辉绿岩脉、卸荷裂隙密集带及中倾坡外的断层等不利组合体,使边坡岩体的性状急剧下降,在边坡开挖过程中曾出现若干条宏观裂缝,对施工期边坡稳定性构成极大威胁。将实际微震监测技术与符合岩石类准脆性材料本构关系的RFPA3D数值模拟相结合,对抗剪洞加固前、后的边坡稳定性进行分析。指出边坡开挖过程中岩体空间损伤劣化的微震活动规律和可能发生坡体失稳的潜在滑动面位置。研究结果证实抗剪洞加固措施的合理性,发现经抗剪洞回填混凝土置换处理后的结构体抗剪阻滑力大幅增加,加固后单月发生的微震事件数减少66.4%,边坡安全系数也较加固前增大了51.2%。但由于复杂的坡体结构,使得在边坡开挖过程中仍然存在局部失稳的可能,建议应随着施工作业对剪出口进行锁固,并在后期大坝浇筑过程中对抗剪洞未贯通区域的岩体微破裂情况和卸荷裂隙带XL–316与f231断层交界处的岩体变形情况进行重点监测。     

我国混凝土框架结构强柱弱梁措施的实际控制效果

为了识别强柱弱梁措施的实际抗震控制效果,对影响框架结构梁、柱端抗弯能力及二者相对强度的因素进行了分析归纳。严格按中国规范设计出5个不同地震烈度分区的规则平面框架结构,考察了这些结构在采取强柱弱梁措施后其柱、梁之间的实际强度级差系数及其规律,对这些框架进行了多波输入下的非弹性动力反应分析。结果表明,在罕遇地震下,9度区(一级抗震等级)框架形成了抗震性能良好的梁铰机构;而8度区二级抗震等级和7度区三级抗震等级的框架形成了以柱铰为主或柱铰偏多的梁、柱铰混合机构。分析结果揭示出,在现行强柱弱梁措施的调控下,不同抗震等级的框架结构在强震下所形成的塑性耗能机构存在明显差异,并可能导致在抗震安全水平上的不一致性。     

地震荷载作用下陡倾角顺层开挖斜坡的变形破坏模型试验

在汶川地震灾区,顺层陡倾斜坡是一类地震山地灾害非常发育的斜坡类型,而开挖往往加剧了斜坡的地震山地灾害。为了重现斜坡的变形破坏过程,分析斜坡在地震荷载作用下的变形破坏规律。选取平武县平通镇桑树坪滑坡所处斜坡作为顺层陡倾角开挖损伤斜坡的典型实例,进行地震荷载作用下变形破坏的室内物理模型试验。结果表明,开挖加剧了斜坡在地震荷载作用下的变形破坏。从破坏形式来看,顺层陡倾斜坡的坡变形破坏兼具崩塌和滑动二者特征,与野外调查结果吻合。从整个变形破坏过程来看,可以划分为以下阶段：a.地震初始阶段,此阶段开挖呈契形体岩层在地震作用下沿层面微小滑动,坡脚应力剧增;b.开挖岩层坡脚溃曲阶段;c.全面下滑阶段;d.岩层滑动受阻倾倒阶段。     

大岗山水电站坝区岩体的刚性承压板试验研究

 压板试验是承一种应用广泛的测定岩体变形参数的现场试验方法,根据中国水电顾问集团成都勘测设计研究院在大岗山水电站坝区现场进行的直径达1 m的刚性承压板变形试验资料,详细介绍试验点岩体的加卸载变形关系曲线,根据推导的深部岩体压缩变形公式,计算出了坝址区左右岸试验点岩体的弹性模量、变形模量和等价变形模量等变形参数。通过回归分析,获得坝区试验点岩体的声波波速与变形模量的回归经验方程和高度显著的回归拟合曲线。现场承压板试验的计算分析结果表明：坝区左右岸辉绿岩脉地层的变形参数较小,岩体的压缩变形主要集中在辉绿岩脉软弱夹层上,右岸试验点岩体的变形参数总体小于左岸。这些试验分析结果为有效揭示坝区岩体力学参数的变化规律提供了重要依据。     

基于跨尺度精细方法的面板坝面板损伤演化尺寸效应分析

中国面板坝建设规模正突破200~300 m级跨越,研究地震面板损伤破坏对特高坝抗震性能和安全控制具有重要意义。引入Quadtree跨尺度建模和非线性SBFEM-FEM耦合分析方法,联合土体广义塑性模型、弹塑性接触模型和混凝土塑性损伤模型,研究了高面板坝面板地震精细损伤演化过程。研究表明：面板损伤区主要发生在高程0.6H~0.9H区间附近;随顺坡向网格细化,损伤越趋局部化,越能合理地反映面板顶部的损伤破坏现象,建议顺坡向面板尺寸取0.5~1.0 m。面板大部分区域法向划分2层或1层网格可满足计算精度,但对顶部局部区域,可考虑分3层网格。基于Quadtree-SBFEM-FEM的跨尺度分析方法,实现了面板的精细化损伤演化规律研究,可为工程地震薄弱区域的精准定位和抗震安全控制方法的有效性分析提供重要参考和指导。     

双向地震作用下我国“强柱弱梁”措施的有效性评估

以往研究柱端弯矩增大系数时一般基于平面分析模型,双向水平地震作用对框架"强柱弱梁"屈服机制的影响未引起重视。严格按中国规范设计出5个不同地震烈度分区的规则空间框架,在OpenSees平台上,采用基于柔度法的纤维模型从而更加真实地模拟柱在双向弯曲和变化轴力作用下的非线性反应,对五个框架进行了罕遇地震下的非线性反应分析。结果表明,7度0.1g区三级抗震空间框架形成了柱铰为主的混合耗能机制,7度0.15g区三级抗震空间框架少量楼层发生了层侧移反应,8度0.2g区、0.3g区二级抗震空间框架均是部分楼层出现明显层侧移反应的典型柱铰机制,9度0.4g区一级抗震空间框架则形成了梁铰、柱铰均较严重的梁柱铰混合机制。五个空间框架在双向地震下的塑性铰分布特征均比相应平面框架更不利。我国不同烈度区、不同抗震等级的空间框架结构在罕遇地震下形成了不同的的塑性铰耗能机制。