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。     

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。     

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。     

人工制备遗址土蠕变试验研究

为了研究糯米浆对土蠕变特性的影响,用不同含水量、不同糯米浆掺入量配制人工制备遗址土。通过单轴蠕变试验,研究了不同压力条件下人工制备遗址土的蠕变特性。试验结果表明:含水量越大,蠕变现象越明显。随着糯米浆掺量的增加,人工制备遗址土的蠕变量呈现出先减小后增大的趋势,在土与糯米浆质量比为90:10时,蠕变量达到最小。根据试验结果,分别建立了适合人工制备遗址土蠕变特性的经验蠕变模型和基于分数阶微积分的非线性黏弹性模型。通过对比发现,基于分数阶微积分的非线性黏弹性模型能弥补传统经验模型不能描述瞬时应变的缺陷,更好地反应人工制备遗址土的蠕变特性。     

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。     

气温变化对CCBE防护层输水距离的影响

具有毛细阻滞效果的ＣＣＢＥ（ＣｏｖｅｒｓｗｉｔｈＣａｐｉｌｌａｒｙＢａｒｒｉｅｒＥｆｆｅｃｔｓ,ＣＣＢＥ）防护层构建了一种简易的蓄排水系统,有利于植物护坡。人们定义ＣＣＢＥ层中粗粒土内的输水距离Ｌｄ来描述ＣＣＢＥ防护系统的蓄排水能力。影响坡面ＣＣＢＥ防护结构的蓄排水能力的因素有很多,主要探究气温及其变化对它的影响。数值计算结果发现,日均气温越高,对ＣＣＢＥ防护结构的蓄排水能力的影响就越大,输水距离也越大;日均温差对ＣＣＢＥ防护结构输水距离的影响较复杂,大概在４℃日均温差时,ＣＣＢＥ防护结构的输水距离达到最大。研究成果可以为防坡土开裂的ＣＣＢＥ防护系统的设计提供参考依据。     

均质黏性土坝漫顶溃决机理及溃坝过程模拟

水库大坝的溃决对下游人民生命及财产带来巨大威胁,而中国已溃大坝中有85%以上为均质黏性土坝,且50%以上为漫顶溃决,因此有必要深入研究均质黏性土坝的漫顶溃决机理,提高溃坝洪水流量过程的预测精度,为溃坝应急抢险提供理论与技术支撑。基于均质黏性土坝大尺度漫顶溃决模型试验,揭示了漫顶水流作用下溃口在3维空间的发展机理,在此基础上提出了一个模拟均质黏性土坝漫顶溃决过程的数学模型。该模型基于坝体形状和漫顶水流特征确定"陡坎"的形成位置,采用宽顶堰公式计算溃口流量;选择可考虑坝料物理力学特性的溯源冲刷公式模拟"陡坎"的移动,并通过力学分析判断"陡坎"上游坝体的坍塌;引入坝料冲蚀系数,通过分析水流剪应力与坝料临界剪应力建立坝料的冲蚀率方程,模拟坝顶与下游坡溃口的发展;采用极限平衡法模拟溃口边坡的失稳,并假设滑动面为平面。模型考虑了不完全溃坝与坝基冲蚀,以及坝体的单侧与两侧冲蚀。选择国内外3组具有实测资料的大尺度均质黏性土坝漫顶溃坝模型试验对模型进行验证,实测值与计算结果的比较表明,溃口峰值流量、溃口最终平均宽度及溃口峰值流量出现时间的相对误差均在±25%以内,并且计算获得的溃口流量过程线与实测结果基本吻合,验证了模型的合理性。     

不同掺砾量下砾石土抗拉强度试验研究

砾石土的抗拉强度是土心墙堆石坝抵抗拉裂破坏的重要指标之一。基于自主研制的单向拉伸试验模具,对不同掺砾量下的砾石土进行了系列的单向拉伸试验。在此基础上得到了以下结论:在本文的试验参数范围内,砾石土的抗拉强度随着含水率的增大而减小,随着干密度的增大而增大;分别给出了各掺砾量下土样抗拉强度与其最优含水率及最大干密度的关系表达式;对于处于各自最优含水率和最大干密度下的砾石土,掺砾量从0%增加到50%时,试样的抗拉强度从122.6 kPa减小到了49.8 kPa,且两者呈线性递减关系;试样的峰值拉应变和极限拉应变均随着掺砾量的增加而线性递减;对不同掺砾量土样的断裂能分析发现,随着掺砾量的增加,土样的抗拉能力不断减弱;在略高于最优含水率及处于最大干密度时砾石土试样的综合抗拉能力最强。相关试验成果可为实际土石坝心墙抗裂设计提供参照。     

特高砂砾石面板坝流变效应及面板防裂措施

针对高面板坝后期变形导致的面板破坏问题,采用大型室内试验测定了大石峡筑坝料流变力学特性,重点研究了后期流变效应对坝体、防渗体应力变形的影响。评估了各期面板浇筑前坝体沉降速率,复核了面板浇筑前预沉降时间的合理性。研究结果表明,该坝各期面板浇筑前设置的预沉降期可将坝顶沉降率控制在5mm/月以内。大坝蓄水运行后面板应力,尤其是轴向应力,较初次蓄水增加明显,存在挤压破坏的风险。论证了在面板受压区设置柔性缝的面板应力改善措施,结果表明该工程措施对削减面板轴向压应力效果明显。总体上,250m级的特高砂砾石面板坝坝体和防渗体应力变形能满足安全控制要求,通过合理的工程措施可保证大坝施工与运行安全。