基于系统动力学的引调水工程风险分析以倒虹吸工程为例

以引调水工程中倒虹吸管身失稳险情为研究对象,从自然、工程、人为及管理这四大因素出发,考虑其各风险因子间复杂、动态的关系,建立了基于系统动力学的风险分析反馈模型,分析影响倒虹吸工程稳定的因子的重要性程度,并采用层次分析法所得结果对构建的反馈模型进行验证,结果表明该模型具有良好的精度和一定的适用性,为将来引调水工程风险评估工作提供了一条新的途径。     

土石坝坝基覆盖层动力特性参数试验研究

采用室内动力特性试验和现场剪切波速测试,对某水电站土石坝坝基各土层最大剪切模量进行了分析。其中现场剪切波速测试分别采用了单孔法和跨孔法,共获得4组剪切模量随深度变化的曲线,分析表明,4组曲线的变化规律一致,即随深度的增加,土体越密实,剪切模量总体趋势变大;数据的波动性也反应了土性差异对剪切模量的影响。文中还分土层分析了室内试验中的固结比取值、密度取值以及波速测试中土的不均匀性对波速测试和室内试验结果的影响,认为密度取值、土的不均匀性为主要影响因素,固结比为次要因素,试样制备中的密度取值越接近实际土层,所得到的室内试验值与现场测试值就越接近。     

考虑分界面的黏性泥石流下游演进数学模型研究

基于分界面理论,以泥石流屈服深度对应的面为分界面,将黏性泥石流分为理想流体和Bingham流体,建立了模拟黏性泥石流演进过程的数学模型和相应计算方法。该模型基于泥石流的运动特征,注重不同层间泥石流流速的差异,并可合理反映泥石流运动速度对其演进形态的影响机制;同时,全面考虑了黏性泥石流在演进过程中所呈现的"舌状体"和"龙头"由上向下翻落现象,因此可更准确描述黏性泥石流在演进过程中的运动状态。采用3组模型试验结果对建立的数学模型与计算方法进行了验证,结果表明:模型计算得出的泥石流泛滥范围和最大堆积厚度与模型试验结果误差在±5%以内,验证了模型的合理性。     

考虑吸力变化的膨胀土边坡破坏规律分析

膨胀土边坡中吸力降低会引起强度衰减,进而引起边坡变形破坏。采用热传导传感器监测干湿循环作用下膨胀土边坡模型坡顶和坡底的基质吸力,开展膨胀土边坡基质吸力随深度和时间变化规律的室内试验,并对模型破坏过程进行了分析。试验结果表明:膨胀土边坡因膨胀干缩的反复作用产生裂缝,为雨水入渗提供通道,裂缝区土体迅速吸水,吸力骤降;非裂缝区土体雨水难以入渗,吸力降低存在明显的滞后现象。降雨后一段时间内,裂缝区土体与非裂缝区土体强度差异明显。对于填方膨胀土边坡工程,建议填筑一部分后对其先进行晾晒,促使土体吸力增长并提高土体强度;施工过程中应避免降雨水入渗,并监测坡体含水率的变化和位移情况,及时采用有效处置措施,防止发生滑坡破坏。     

潜没式高趾墙土压力与稳定计算方法

潜没式高趾墙是许多混凝土面板堆石坝中重要的水工建筑物,其墙背堆石体的表面水压力不是均布荷载,且作用线与竖直向存在一非零夹角,与多数挡土墙设计规范中竖直向下的均布荷载差别很大,不能直接套用规范给出的公式计算其承受的土压力。根据库伦土压力理论,探讨了潜没式高趾墙主动和被动土压力的计算方法,并运用案例证实了通过改变滑裂面倾角和数值试算方法确定土压力的必要性;分析了需进行高趾墙抗滑稳定分析的两类特定情形,即水平水压力低于主动土压力水平分量或水平水压力高于被动土压力水平分量(若水平水压力介于两者之间,则不存在抗滑稳定问题)。文中还探讨了高趾墙抗倾覆分析需进一步研究的问题及可行方法。     

孔隙率对堆石料强度与变形的影响规律

针对拟建某300m级高土石心墙堆石坝所用堆石料,开展了不同孔隙率的大型静力三轴试验,分析了孔隙率对堆石料的强度和变形的影响。试验结果表明:随着孔隙率的增加,堆石料的峰值强度会减小,体积变形逐渐增大,剪切至峰值点时的剪切位移增大,剪切至出现最大体积变形的剪切位移也会增加,随着围压的升高,颗粒出现一定量的破碎;在邓肯–张和南水模型中表现为参数K,dn值的减小和n,dc,dR值的增大等趋势。分析其原因主要是:随着孔隙率的增加,颗粒内部空隙增多,颗粒间间距增大,颗粒间的接触点减少,在相同围压及剪应力作用下,体积变形增大,最大减缩体应变对应的偏应力也会增加;孔隙率的增加,颗粒间的间距增大,颗粒间的咬合作用减弱,导致堆石料的初始切线模量减小,颗粒抵抗外力的作用减弱,颗粒间内摩擦角与抗剪强度的减小。此外,5P(27)的含量对堆石料的强度和变形作用较为明显,孔隙率相同的情况下,峰值强度、最大体积变量、剪切至峰值强度点对应的剪切位移以及最大体积应变对应的剪切位移均会随5P(27)含量的增加会而增大。孔隙率的变化对堆石料强度和变形影响非常明显,建议堆石坝施工现场碾压时严格控制压实度以满足设计要求,确保大坝安全。     

堰塞坝漫顶溃决过程数值模拟及应用

堰塞坝作为自然形成的天然坝体,其结构不稳定性强,绝大多数的堰塞坝最终都将发生漫顶溃决,一旦溃决,将会对下游带来巨大的生命和财产损失。因此,有必要合理预测堰塞坝的溃决流量过程,为溃坝应急预案的编制提供理论与技术支撑。本文充分考虑堰塞坝的形态特征及坝料的物理力学特性,建立了一个可合理模拟堰塞坝漫顶溃坝过程的数学模型。该模型可较好地反映水动力条件下的溃口发展过程和下泄流量过程。选择西藏易贡堰塞坝溃坝案例对模型进行验证,通过计算结果与实测资料的对比发现:计算得到的溃口峰值流量、最终溃口宽度、峰值流量到达时间等参数的最大相对误差均在±15%以内;溃口流量过程与实测资料也吻合较好,有效地验证了模型的合理性;参数敏感性分析结果显示,残留坝高、冲蚀模式(单侧与两侧冲蚀)、冲蚀系数等参数对溃坝过程均有重要影响。     

胶凝砂砾石料静、动力三轴剪切试验研究

通过不同掺量胶凝材料的静动力三轴试验,研究了胶凝砂砾石料的静、动力力学和变形特性,试验结果表明随着胶凝材料掺入量的增加,胶凝砂砾石试样的应力应变曲线逐渐由非线性向线弹性转变,其力学特性宏观上由弹塑性逐渐转变为线弹性,因此采用土工试验测试方法开展其力学特性的研究工作是适宜的。胶凝砂砾料的静、动力力学指标随着胶凝材料掺入量和养护天数的增加产生一定的提高,但增加量随着胶凝材料掺入量的提高而逐渐减缓;胶凝砂砾料的动力残余变形发展过程曲线宏观上与纯砂砾料保持相似,大体上仍符合半对数衰减规律,随围压、固结应力以及动应力的提高,其动永久变形量相应增大,仍可采用沈珠江提出的动力残余变形公式进行描述。     

土石坝试验新技术研究与应用

研制的多功能静动力大型三轴试验系统是中国首台能够测量堆石料动态体变过程的大型三轴试验设备,构建了国内外70多座重要高土石坝筑坝堆石料静动力学性质试验数据库,揭示了静动荷载作用下堆石料的颗粒破碎规律及其影响因素、强度与剪胀(缩)非线性变化规律、地震残余变形发展规律、流变规律和饱和砂砾石料地震液化规律等。创建了高土石坝离心机振动台模型试验技术与试验结果分析方法,成功应用于高面板堆石坝与心墙堆石坝地震破坏机理和抗震加固方案有效性验证,得出的高土石坝地震加速度反应和地震残余变形定性与定量分布规律、高土石坝地震破坏机理结果得到了汶川地震后紫坪铺面板堆石坝和碧口心墙坝震害资料的证实。较好解决了目前高土石坝地面振动台模型试验与原型应力水平相差过大,常规离心机振动台模型试验因模型箱尺寸和振动台功率限制无法进行与原型应力水平一致的模型试验的难题。创建了土石坝溃坝离心模型试验技术与试验结果分析方法;研发了离心机大流量水流控制系统,实现了水流在地面普通重力场和超重力场之间的平稳过渡;研发了将模型布置和模型测量两部分有机融合为一体的专用溃坝模型箱,有效解决了管道流量计在坝体溃口流量变幅大和泥石流下无法正常工作的难题,实现了土石坝溃坝全过程溃口洪水流量的测量。上述研究成果为进一步提升高土石坝灾害预测与防控水平提供了重要技术支撑。     

高土石坝动力弹塑性与黏弹性分析方法比较研究

为了研究黏弹性方法和弹塑性方法用于分析土石坝动力性状时存在的结果差异,分别以沈珠江动力模型和静、动统一的广义塑性模型为例,同等条件下对比研究2种方法在加速度反应、坝体位移历史、震后残余变形、防渗体应力等方面的差异。研究结果表明:(1)弹塑性方法得到的坝顶区加速度放大系数较黏弹性方法略小,但中下部坝体加速度放大效应更强;(2)由于黏弹性方法坝体位移过程不包含地震残余分量,所以与弹塑性方法计算结果存在较大差异;(3)黏弹性方法采用经验公式估算的坝体残余变形规律与弹塑性方法结果较为一致,但弹塑性方法计算的坝体震缩现象与实际震害更为吻合;(4)黏弹性方法计算的面板破坏型式主要为面板顶部区域的拉伸破坏,而弹塑性方法的计算结果为面板中部区域的受压破坏,这主要是由于黏弹性方法未包含地震残余位移分量导致,其计算的面板动应力失真,弹塑性方法可有效克服黏弹性方法的缺陷。