沥青混凝土心墙坝应力变形及水力劈裂研究

采用三维非线性有限元法对新疆某沥青混凝土心墙堆石坝进行了应力变形分析,计算中采用邓肯E-B模型作为坝体及心墙的本构模型,对大坝施工和蓄水过程进行了模拟,并采用线弹性断裂力学方法对沥青混凝土心墙是否会发生水力劈裂破坏进行了判定分析。计算结果表明,坝体和心墙应力变形均处在合理范围之内,但心墙中存在一定的拱效应,需要研究其发生水力劈裂的风险。基于线弹性断裂力学理论建立了沥青混凝土心墙水力劈裂判定准则,并在可能开裂处预设裂纹进行水力劈裂判定,结果表明,该裂纹尚不能扩展,沥青混凝土心墙不会发生水力劈裂破坏。     

沥青混凝土心墙与过渡层变形协调性及防渗的影响研究

采用三维有限元法对云南省某沥青混凝土心墙均质坝进行了心墙与两侧过渡层变形协调性的数值模拟分析,研究心墙的厚度对坝体防渗影响的变化规律。计算中坝体和心墙的本构模型采用邓肯张E-B模型,对不同厚度的心墙分别进行了模拟计算,并对比其相互之间的变形协调规律及心墙的防渗效果。计算结果显示,心墙厚度在0.3 m、0.4 m和0.5 m条件下,大部分水平位移满足变形协调性,顺河向水平位移值随着心墙厚度的增加而变大,拱效应越明显,说明对心墙水平位移越不利。心墙与过渡层的沉降随着高程的增加而变大,并且随着心墙厚度的增加,沉降的最大值随之减小。相对两侧的过渡层而言,心墙上部沉降小,底部沉降大,整个心墙在高度方向上有"被拉伸"的现象,这就为心墙产生拱效应提供了必要条件。心墙以受压应力为主,通过验算,并未发生水力劈裂破坏。坝体加入沥青混凝土心墙后,浸润线明显降低,防渗效果好,并且渗流量随着心墙厚度的增加而减小。     

超高心墙堆石坝应力变形特点分析

土石坝是世界各国广泛采用的坝型,我国在建和拟建的300m级高坝许多为土石坝.清华大学水利水电工程系近年来参加了糯扎渡、双江口、两河口、古水和其宗等300m级超高心墙堆石坝的应力变形分析工作.论文总结了上述超高心墙堆石坝工程坝料分区特点以及邓肯张EB模型参数的取值范围,选取典型计算成果分析总结了超高心墙堆石坝在坝体应力、心墙拱效应、坝体变形分布、心墙超静孔隙水压力和坝体应力水平分布等方面的一般规律和特点.     

双江口心墙堆石坝坝体变形和应力对材料的参数敏感性分析

采用三维静力有限元法,基于邓肯-张E-B非线性弹性模型,模拟计算了双江口高心墙堆石坝的应力与变位.研究了基准参数,高强参数,低强参数,心墙拱效应分析参数与不均匀沉降分析参数对坝体变位与应力的影响.研究结果表明各种参数下坝体变形规律与主应力分布规律一致,但是坝体变形与应力的量值随着不同强度的参数而有差异.坝体沉降在高强参数下取得最小值,比基准参数下的值减小0.147m(约6.34%);在低强参数下取得最大值,比基准参数下的值增大0.2m(约8.62%).在不同参数计算的结果中,上游堆行区特征点大主应力极大极小值相差0.011MPa,下游堆石区特征点大主应力极大极小值相差0.308MPa,心墙特征点大主应力极大极小值相差1.261MPa,说明心墙应力对于材料参数的敏感性明显高于上下游堆石区应力.     

心墙胶结砾质土力学性能及耐久性试验研究

如何有效改善心墙拱效应是高心墙堆石坝建设中亟需解决的重要问题。通常采用砾质土以提高心墙的变形模量,但对于300 m级高坝,砾质土心墙拱效应仍较为明显,而更多掺砾,可能会导致心墙防渗性能下降。本文研究常见的三种固化剂掺加下胶结砾质土作为高心墙坝料的可行性,分析了固化剂类型和掺量对胶结砾质土力学性能和耐久性能的影响,利用扫描电镜分析了不同胶结砾质土性能差异的原因。试验结果表明,HAS?胶结砾质土表现出了更高的抗压抗拉强度、更大的变形模量和更好的韧性,且抗渗性和抗冻性最优,致密性高。故将HAS胶结砾质土作为高心墙坝料,可在不增加掺砾的情况下提高心墙的变形模量,有助于降低心墙拱效应,为超高心墙堆石坝心墙坝料选择提供一种新的可能。     

椭圆-抛物线双屈服面流变模型的应用与研究

堆石料具有剪胀、剪缩和流变等特性,堆石料流变严重影响高土石坝心墙、面板等结构的受力变形。为此结合室内试验,建立了一个考虑堆石流变特性的双屈服面流变模型。本文以水布垭面板堆石坝为例,采用双屈服面流变模型对坝体沉降变形、面板应力和挠度进行分析。计算结果表明:该模型能够综合反映复杂加载情况下堆石料剪胀、剪缩和流变特性;流变对坝体及面板的应力变形呈增大效应;200 m以上的高坝满蓄后5年左右流变效应仍未完全趋于衰减稳定;流变对面板拉应力的影响较大,轴向拉应力增幅达30%,顺坡向则次之;对比现场观测资料,自然界日晒雨淋过程会对堆石长期变形产生影响,现有的流变计算中均忽略了此类因素的影响,导致计算结果小于实测结果。     

狭窄河谷地形对200m级高面板坝变形和应力的影响研究

目前，世界上尚无有关建造在狭窄河谷上的200m以上高面板坝的报道。本文利用三维非线性有限元分析方法，结合一座拟建中的河谷宽高比仅为1．88的225m高的面板堆石坝，对坝体的变形和应力进行数值计算，对狭窄河谷上建设的高面板坝可能存在的问题进行了探讨。分析了狭窄河谷的拱效应对大坝的变形和应力的影响，建议了相应的工程措施。     

糯扎渡高心墙堆石坝心墙砾石土料变形参数反演分析

采用室内中型三轴试验和现场碾压载荷试验对糯扎渡高心墙堆石坝心墙砾石土料的变形特性进行了研究。试验结果表明，采用掺入35％花岗岩碎石的风化混合土料作为心墙防渗土料是合适的，掺入的碎石料可显著提高心墙土料的变形模量，这对减少心墙和堆石体的不均匀沉降和拱效应，防止心墙发生水力劈裂是十分有益的。对现场载荷试验进行了基于神经网络和演化算法的位移反演分析，在有限元计算中提出了通过给定加载函数初始值来描述坝料由碾压过程所致的初始超固结状态的方法。研究结果表明，对糯扎渡心墙砾石土料，由室内三轴试验和现场载荷试验得到的变形特性基本一致。     

基于多目标优化的黏土心墙坝变形协调分析

为了研究黏土心墙坝的变形协调性质,提出了大主应力、心墙应力水平、坝体最大沉降、心墙沉降变化率和振动密实时间这5个参数作为评价指标,并以某黏土心墙坝为例开展了三维有限元计算,结合所提出的评价指标和评价方法对坝体变形协调性质进行了具体分析,主要结论如下：（1）各评价指标与坝壳料相对密度Dr之间存在显著的函数关系,对各函数进行归一化处理可得到各指标的功效函数,设定各功效函数的权重,通过加权平均的方法得到评价最优坝壳料Dr的目标函数;（2）不考虑施工成本时,通过各单个指标所确定的最优坝壳料Dr差异较大,范围为0.49 ~ 1.0;基于多目标最优化目标函数确定的最优坝壳料Dr范围为0.78 ~ 0.81,较为合理且满足设计规范;（3）384 m高程考虑施工成本时,若采用等权重分配方案,最优坝壳料相对密度Dr为0.783,需振动历时90 s。所提出的多目标优化分析方法对坝体建造有指导意义。     

双江口心墙堆石坝三维动力分析及模型试验验证

介绍世界上最高的心墙堆石坝——双江口大坝的振动台模型试验,并利用等效线性方法对模型坝进行三维动力有限元分析,得到坝体加速度放大倍数沿坝高、坝轴线和顺河向的分布规律,并验证了利用等效线性方法进行堆石坝的动力分析是基本可行的。但是有限元难以准确模拟下游松散边坡的表面放大效应,可能导致计算结果偏小,且地震动输入较大时,等效线性方法计算结果误差较大。根据原型坝的数值分析可知,原型坝加速度反应的总体规律计算值与试验值大致相同,利用模型试验相似率推算的原型坝自振频率也与计算值相差不大。说明利用振动台模型试验研究高堆石坝的动力特性和动力反应有重要参考价值。     

降低高沥青混凝土心墙拉应力的措施研究

传统沥青混凝土心墙堆石坝中心墙和坝壳沿坝轴线方向均为直线型。心墙在水压力推动作用下产生指向下游的挠曲变形，心墙轴线伸长致使其内部产生拉应力，坝高越高，心墙产生拉裂缝的风险越大。本文基于心墙产生拉应力的机理，提出了两种新坝型（直坝曲心墙坝型和曲坝曲心墙坝型）的改善措施。借助有限元计算，研究了坝高和坝轴线长度对心墙挠曲变形和拉应力的影响，考察了新坝型的改善效果，表明坝高越高、坝轴线长度越长和岸坡坡比越大，心墙拉应力越大，新坝型对减小心墙拉应力具有良好的效果。通过施工技术、施工工期以及经济成本等方面的分析，表明新坝型可行，具有良好的应用前景。     

土质心墙土石坝变形协调控制发展与展望

回顾了高心墙坝历史上出现的心墙渗透破坏和水力劈裂、坝顶纵向裂缝等主要事故,探讨了事故的可能原因,提出了注意岸坡基岩约束、快速蓄水的影响及严格控制坝壳密度等变形协调控制要求。分析了心墙坝变形协调有关的相互作用及其三维特性和长期特性,提出了岸坡约束差异变形水力劈裂机理和顺岸坡变形协调性判据。总结了心墙坝变形协调控制的认识转变、预测能力和控制手段发展过程,梳理了变形协调控制要求由表面沉降变形协调向表面沉降协调和内部沉降变形协调联合过渡,再从空间变形协调向长期空间协调发展的技术脉络,对进一步技术发展作出了展望。     

水布垭面板堆石坝变形反馈分析

根据水布垭面板坝实测变形,在试验参数基础上采用神经网络和遗传算法反馈得到堆石料的清华K-G模型参数,对大坝蓄水后的变形和应力进行分析.预测认为,正常高蓄水位下坝体最大沉降约为坝高的1%,面板最大法向位移约为457mm,应力状态表现为河谷部位受压,周边坝肩部位受拉,接缝体系的变形都在止水承受能力以内.     

土质心墙与斜心墙堆石坝静动力特性比较分析

本文结合山西某新建水库大坝的静动力特性数值分析成果,从坝体的受力和变形方面分析比较了心墙与斜心墙堆石坝的优缺点,得出了一些有益的结论,可为相关工程建设参考。     

松铺覆盖下心墙相变土防冻控温性能试验研究

高黏土心墙堆石坝在负温条件下施工,心墙土料会因短时冻结或冻融而引起压实性能降低,诱发冻胀、融沉、开裂等结构病害,造成强度损失和防渗性能的劣化。常规覆盖保温措施对心墙施工干扰严重,难以实现负温下连续施工,易使工期延长。本文采用黏土中掺入相变材料（phase change material,PCM）作为心墙土料,考虑上层松铺土料覆盖,深入研究下层压实相变黏土料的防冻控温效果。首先通过热学试验,分析了PCM掺量对热学参数的影响机制,并验证了导热系数均质化等效模型的有效性。然后通过控温试验,分析了松铺相变黏土的传热及保温效果。在48 h典型环境温度下,松铺覆盖下4%和8% PCM掺量的相变黏土可施工时间分别延长了22.6 h和24.9 h,在4% PCM掺量下能够达到45.8 h的连续有效施工时长,在8% PCM掺量下可保证连续两天正温下施工。可见,相变材料掺混和上层松铺覆盖结合的防冻控温措施为延长心墙土料冬季施工时间、加快施工进度提供了理论依据和潜在技术途径。     

考虑持时的高沥青混凝土心墙坝抗震性能评价

现行水工抗震设计规范中关于强震特性中的幅值和频谱均有明确规定,而强震持时特性对高性能水工结构地震反应的影响至今尚未被纳入规范中。目前衡量强震持时特性的定义方式较多,但多数情况下仅考虑单方向地震动持续时间,低估了多方向强震持时特性对高性能水工结构地震反应的影响。鉴于上述原因,本文以西部大石门高沥青混凝土心墙砂砾石坝为例,建立“大坝-宏观库水-坝基”动态耦合分析系统,基于能够考虑多方向强震持时特性的综合持时指标,通过增量动力分析（IDA）法探究短持时和长持时地震对高沥青混凝土心墙砂砾石坝抗震性能的影响。采用坝顶相对震陷率作为抗震性能的评价指标,给出了高沥青混凝土心墙砂砾石坝的性能水平划分等级,得到了考虑地震动综合持时特性的大坝地震易损性概率曲线。结果表明：地震动综合持时特性对大坝不同性能水平的破坏概率影响显著;当地震动强度相同时,长持时地震动作用下大坝的破坏概率均大于短持时地震动作用。