复杂地基上高拱坝开裂与稳定研究

研究复杂地基上高拱坝坝面开裂与稳定的力学机制,这些机制涉及到大坝温度变化、大坝的基础弱化、渗流影响等.首先从分析大坝坝面裂纹细观开裂扩展的主轴本构力学机制、节理岩体的宏观开裂强度条件.然后提出大坝破坏的机构条件作为大坝整体稳定的判据.最后结合复杂地基的溪洛渡拱坝,运用提到的开裂与稳定模型,分析大坝在超载工况下,裂纹从细观裂纹扩展到宏观开裂,以至大坝失稳的全过程;分析建基面的点安全度随超载变化规律以及大坝的整体稳定.结果显示提到的分析方法有较好的应用价值.     

高拱坝坝肩裂隙岩体的三维非线性抗震稳定性分析

在高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性分析中 ,采用传统刚体极限平衡法分析坝肩裂隙岩体潜在滑体的安全性态 ,坝肩稳定性评价未考虑裂隙岩体变形对坝体应力的影响 ,由此计算的抗滑安全系数并不能保证坝体的安全性 ;而采用基于连续介质理论的有限元法和基于碎散介质的离散单元法分析时 ,其物理数学模型和坝肩岩体的实际情况相距甚远。为此 ,本文在安全系数强度储备概念基础上提出了动抗滑变形安全系数法 ,该方法以坝体拉应力作为坝肩岩体抗滑稳定性评价标准 ,综合考虑非线性坝体和坝基节理、裂隙岩体的动静态耦合作用 ,坝肩岩体的抗滑安全系数保证了坝体的安全 ,较传统的分析方法更为科学、合理。采用该方法 ,本文将坝肩裂隙岩体作为可以考虑局部开裂、各向异性和大变形的非线性连续体用动态接触单元模型模拟 ,对在建的小湾高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性进行了三维动力分析。数值分析结果表明 ,在综合考虑坝体应力影响后 ,坝肩裂隙岩体的变形安全系数小于强度安全系数。因此 ,在高拱坝坝肩岩体的抗震稳定性评价中必须计及坝体应力的影响因素。     

溪洛渡特高拱坝建设的岩石工程关键技术

 通过各设计阶段对溪洛渡特高拱坝岩石工程关键技术问题的不断深入研究,使得拱坝体型和结构设计很好地适应坝址地形地质条件;面对河床坝段基础地质条件的变化,通过建基面扩大开挖和上下游贴角设计,使得拱坝和基础相互协调,改善坝体和地基应力条件。三维地质力学模型试验和有限元分析表明,溪洛渡特高拱坝和基础具有良好的工作性态。监测成果表明,拱坝和基础实际工作性态符合规律。基于全寿命周期理论的溪洛渡“数字大坝”的建设与实践,为施工过程控制和决策提供了有力支持,进一步保证了拱坝在施工期和运行期各阶段的工作性态满足设计要求,保障了拱坝的安全可靠。     

拱坝和坝肩岩体的力学和 渗流的耦合分析实例

以建筑在复杂岩基上的龙羊峡水电站重力拱坝和坝肩岩体的力学、渗流及其耦合分析为例，说明采用本文提出的导水断层和主干裂隙的离散介质和多组节理岩体的等效连续介质的混合模型求解复杂岩基的裂隙渗流场，采用等效连续介质模型和特殊的断层及软弱夹层的有限元相结合的方法求解复杂岩基的力学场，依据断层和多组节理岩体的等效渗透系数与复杂应变的耦合关系分析力学—渗流的耦合作用的模型、计算方法和程序是合理实用的     

基于地质力学模型试验的大岗山拱坝整体稳定性分析

 地质力学模型试验是研究拱坝整体稳定性的有效方法,采用250∶1的模型比例尺对有基础处理的大岗山拱坝进行三维地质力学模型试验。通过小块体砌筑技术模拟裂隙岩体的变形和强度、坝基不连续结构面以及坝基处理措施;通过油压千斤顶加载系统施加坝面水荷载;采用的数据采集系统能及时、高效地测量坝面应变、坝基岩体外部位移和内部相对位移,并自动存储数据。采用超载水容重法进行超载破坏试验,得到拱坝坝体位移和应力的分布规律以及坝体和坝基岩体的开裂破坏过程。采用3个特征超载安全系数K1,K2和K3对大岗山拱坝整体稳定性进行评价。通过地质力学模型试验和基于变形加固理论的三维数值模拟对比分析表明,大岗山拱坝整体稳定性较高,并得到对拱坝–坝基整体稳定起控制性作用的部位。     

白鹤滩水电站上坝线左拱座楔形体安全性能分析

 白鹤滩水电站上坝线左拱座底部岩体被陡倾断层切割成多个楔形体,坐落于拱坝底部及其下游,其稳定性直接影响到坝基和拱坝的安全。考虑楔形岩体各滑动面上复杂的渗透压力进行拱坝及楔形体安全性能分析,在FLAC3D中编制多种形式水压力施加程序,并以概念模型进行验证。根据数值计算结果,通过分析所选取结构面的典型节点位移变化,研究楔形体的稳定安全度、面安全系数及超载条件下屈服扩展状况,对其安全性能进行综合分析。研究表明：楔形体滑面考虑裂隙水压力和扬压力作用下,底部LS331滑面的安全度低于坝基接触面,上游右岸坝踵处开始出现局部屈服的超载安全系数为1.5,楔形体不能正常运行的超载安全系数为3.1,坝基不能正常运行的超载安全系数为3.3,坝基岩体整体破坏的超载安全系数为5.5。     

非均质无限地基上高拱坝的动力响应分析

地震作用下拱坝-无限地基的动力相互作用将对拱坝的地震响应产生重要影响。虽然很多学者曾经提出过各种相互作用的计算模型,但是绝大多数都是基于均质地基或有限地基假定的。利用比例边界有限元方法能够方便地模拟非均质无限域的优点,研究非均质无限地基对双曲高拱坝动力响应的影响。拱坝、地基和库水都利用比例边界有限元方法模拟,从而减少大量的计算量。在假定地基弹性模量随深度按指数变化的前提下,分析研究210 m高的大岗山双曲拱坝分别坐落在无质量地基、均质无限地基和非均质无限地基3种情况下的拱坝加速度频响曲线。通过与刚性较大的重力坝结构对比发现,无限地基的远场非均质特性对拱坝的动力响应影响较小。这是因为与重力坝不同,双曲高拱坝坝体与坝基之间的连接相对较为柔性,所以远场地基刚度变化对拱坝地震响应的影响较小。经进一步对近场地基刚度变化的分析发现,近场地基对拱坝地震响应产生一定影响。分析结果具有普遍意义,对强震区的高拱坝建设可以提供重要参考。     

小湾水电站拱坝坝肩岩体加固方案分析研究

根据建立的多裂隙岩体弹塑性损伤耦合力学模型，通过三维有限元计算，系统地研究了小湾水电站拱坝坝肩岩体的稳定性，得到了坝肩岩体应力和变形的定量结果，在此基础上，提出了技术经济较优的坝肩加固方案。     

基于变形监测资料的混凝土坝时变参数优化反演

基于变形监测资料建立混凝土坝与基岩时变参数反演三步法：首先利用监控模型分离出的水压分量反演大坝和基岩的弹性模量;然后利用分离出的时效分量趋近值反演黏性元件的弹性参数;最后利用时效分量的过程值反演黏性元件的黏滞系数。以龙羊峡重力拱坝为例,应用上述方法,反演参数较敏感的时变参数,从力学机制上解析龙羊峡重力拱坝拱冠梁在2 530～2 610 m高程的径向时效位移向上游变位的原因。其原因是坝体和基岩黏滞系数较大,坝体自重引起向上游变位的时效变形需要较长时间才能稳定;另外,龙羊峡水库长期低水位运行也是原因之一。     

构皮滩水电站高拱坝建基面卸荷岩体变形参数研究

 乌江构皮滩水电站高拱坝建基面开挖成型后,在建基面上进行大量的声波测试,通过不同高程、不同部位的声波测试,根据波速沿坡距综合关系曲线确定卸荷深度,并分析波速分布的规律及特征。在卸荷带内进行35点原位变形试验,其加载路径和最大压力与拱坝作用于岩体的条件相似。通过35点变形试点的动静对比试验,建立卸荷岩体变形参数与波速之间的关系,利用大范围的声波测试结果评价卸荷带岩体变形参数。结合开挖前后波速和变形参数的变化规律,分析研究该高拱坝建基面卸荷岩体变形参数的弱化程度。试验结果表明,建基面卸荷深度为6 m,卸荷带岩体平均波速降低7.0%,平均变形模量由29.1 GPa降低至16.2 GPa,平均降低43.6%。提出卸荷岩体的变形参数及取值方法。     

混凝土坝-基岩地震动力相互作用时域有限元分析

混凝土坝地震响应分析是坝工安全评估的关键一步。坝与基岩动力相互作用对混凝土坝地震响应具有重要影响。因此,建立一个可考虑坝与基岩动力相互作用影响的数值分析方法是十分必要的。给出了分析混凝土坝–基岩系统地震响应的时域有限元法。在时域有限元分析中,地震波的输入以及地基辐射阻尼的模拟常常是2个十分重要的课题。基于柱面波动方程提出了能同时实现地震动输入和模拟地基辐射阻尼的方法,这种方法非常简单有效,几个数值算例验证了方法的精度和有效性。最后,对混凝土重力坝地震响应进行了数值分析,结果表明无限地基辐射阻尼的影响是显著的。     

特高拱坝基础破坏、加固与稳定关键问题研究

特高拱坝的坝基条件大都比较复杂,基础岩体的破坏、加固与稳定评价出现一些关键新问题:坝基岩体力学参数合理取值;坝踵、坝趾基础开裂机制;坝肩非典型软弱蚀变带的处理;贴角区灌浆时机选择;坝趾锚固力损失评价以及大坝-基础非线性稳定分析等.传统的分析方法和加固处理措施日益受到挑战.结合实际工程,就如上问题涉及的研究方法、处理措施...     

柱状节理岩体渗透性模型试验研究

针对柱状节理岩体渗透性质的研究较少,开展了柱状节理岩体相似材料的模型试验,研究了柱状节理岩体相似材料在多次围压循环加卸载作用下的渗透性质,分析得出柱状节理岩体存在表征单元体积,可以采用等效连续介质模型分析柱状节理岩体的渗流性质,提出了计算柱状节理岩体渗透率张量的方法,基于张量不变性理论,推导出了柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数的计算公式。研究表明:在围压初次加载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数随围压加载显著降低,在随后的围压循环加卸载阶段主渗透系数保持较低值,围压的加卸载对柱状节理岩体的主渗透系数影响较少,且在每个围压加卸载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数与围压均呈幂函数关系;柱状节理岩体渗透张量的主方向随着围压加卸载逐渐增大,在初次围压加卸载阶段增长显著,在此后的围压加卸载阶段缓慢增长;柱状节理岩体在低围压下渗透各向异性较为显著,且随着柱体倾角增大渗透各向异性逐渐减弱,在第一次围压加载阶段,随围压增大柱状节理岩体的渗透各向异性迅速减弱,当加载到高围压时,柱体倾角对柱状节理岩体的渗透各向异性几乎没有影响,在此后的围压循环加卸载阶段,柱状节理岩体的渗透各向异性稳定在较低水平,柱体倾角对渗透各向异性的影响很微弱;柱状节理岩体的渗透性质均是在第一次围压加载阶段发生显著变化,且围压卸载后渗透性质不能恢复,此后的围压循环加卸载对其渗透性质影响很小。     

高拱坝坝肩坝基整体稳定地质力学模型试验研究

锦屏一级水电站是雅砻江干流上的重要梯级电站。工程主要开发任务是发电，同时还兼有拦沙、防洪、蓄能作用。该工程大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高305m，为目前世界上最高拱坝。坝址区地质构造复杂，两岸谷坡为近千米的高陡边坡，两坝肩岩体内存在断层、煌斑岩脉、层间挤压带、深部裂隙等各类软弱结构面，对拱坝坝肩坝基稳定带来不利影响。采用三维整体地质力学模型试验研究方法，研究了锦屏一级高拱坝坝肩坝基的整体稳定性。试验中充分考虑了影响坝肩坝基稳定的各种因素，既考虑拱坝上游超载情况，同时还重点模拟两坝肩岩体中软弱结构面强度弱化的影响，为此研制了适合该工程的变温相似材料及试验模拟新技术，并在一个模型上进行了强度储备与超载相结合的综合法试验。通过试验获得了坝肩坝基的变形及分布特征、失稳的破坏形态和破坏机理，确定了拱坝坝肩坝基整体稳定安全度为4．7～5．0，评价了工程的安全性，并针对坝肩的薄弱环节提出了加固处理措施建议。     

Seismic performance evaluation of a jointed arch dam

Seismic performance and safety of a jointed arch dam, as an arch-shaped mass concrete structure, are investigated through the nonlinear incremental dynamic analysis. In this way, 12 proper ground motions are selected, each of them is scaled to 12 successively increasing intensity levels and applied to the dam. Three and seven contraction joints are inserted within the dam body, and stage construction is taken into account. Several main assumptions including dam–reservoir–foundation dynamic interaction, absorbing boundary conditions at the far-ends of the reservoir and foundation, and material and joint nonlinearities are considered. The failure modes of the dam are determined according to the distribution of damaged zones through the dam body. The results of the static analysis under dam self-weight and hydrostatic load show that the inclusion of the contraction joints and the stage construction do not considerably alter the tensile principal stresses; however, they increase the compressive stresses. In seismic analysis, increasing the number of the contraction joints generally reduces the joints opening and sliding displacements. The contraction joints can significantly decrease the damage imposed to the dam body. Finally, it is concluded that inserting the contraction joints can increase the seismic safety of the arch dam.     

某拱坝右岸拱肩槽开挖边坡锚固仿真与优化研究

首先基于一次宏观反演的初始应力场进行二次精细模拟得到了某拱坝坝区局部模型的初始地应力场。接着基于加锚节理岩体流变模型,应用自主开发的三维弹粘塑性有限单元程序模拟了该初始地应力场作用下该拱坝右岸拱肩槽岩石高边坡开挖过程预应力锚索、系统锚杆等锚固件的支护作用。分析了现行锚固方案与锚固进度下边坡岩体的位移、应力和点安全系数等分布规律,最后在此基础上对该锚固方案和锚固进度进行了优化,确保了该边坡的稳定与安全。     

关于高拱坝坝基可利用岩体质量要求的探讨

拱坝作为高次超静定的空间壳体结构,具有自适应能力强、超载安全系数大的显著特点,一般说来,拱坝是经济性和安全性都较优的一种坝型。然而,随着一大批高拱坝工程的相继建成,我国拱坝设计标准中对于高拱坝坝基可利用岩体质量要求过严,导致拱坝适应性和经济性降低的问题也逐渐显现。本文在对中、美拱坝坝基可利用岩体质量要求及中、外代表性拱坝工程坝基可利用岩体情况的对比分析的基础上,系统阐述了高拱坝坝基岩体质量要求过严所带来的不利影响,并列举了我国在特高拱坝及高拱坝设计中突破建基面岩体质量要求限制、取得显著经济效益的工程实例,希望能为类似工作提供参考。     

溪洛渡特高拱坝建基面嵌深优化的分析与评价

 对特高拱坝建基面嵌入深度优化的分析与评价是当前水利工程中的重点研究方向之一,具有重要的学术和工程意义,其研究成果可为制定新的优化与评价标准作参考。在分析国内外特高拱坝建基面优化分析与评价研究现状的基础上,总结特高拱坝建基面优化分析与评价的原则与工作步骤。就建设中的溪洛渡特高拱坝建基面嵌入深度的优化设计,采用三维非线性有限元法和三维地质力学模型试验,对3种建基面嵌入深度方案,即可研方案、优化方案和比较方案的坝体应力、整体稳定、超载能力等进行分析评价。论证溪洛渡拱坝基础利用III1级岩体和上部高程部分利用III2级岩体作为大坝基础的可行性;实施中的建基面嵌深采用优化方案。优化方案较可研方案减少基础开挖和大坝混凝土工程量各100多万立方米,节省直接投资约7亿元,经济效益十分显著。     

Experimental study on a geo-mechanical model of a high arch dam

This paper presents the complete experimental study on the Geo-Mechanical Model of Jinping high arch dam to observe the deformation and study the stability of the dam abutment and foundations of the Jinping first stage hydropower project. The model considers various factors influencing the stability of dam abutment and foundation during the test, which includes overloading and strength-decreasing of weak structural planes in the rock mass of the dam foundation. A temperature-analogue material is employed to simulate the decreasing strength of the weak structural planes. The temperature-analogue material and model testing technique are developed for the first time. Secondly, the comprehensive method that considers both overloading and strength-decreasing is applied to the model successfully. Deformation characteristics, failure patterns and mechanisms of the dam abutment and foundation are achieved. The safety evaluation based on the experimental model indicates that the whole stability safety factor of the dam abutment and foundation is 4.7–5.0.     

Insights into statistical structural characteristics and deformation properties of columnar jointed basalts: field investigation in the Baihetan Dam base,China

Bulletin of Engineering Geology and the Environment - The columnar jointed basalt (CJB) in the left-bank dam foundation of the Baihetan hydropower station, China, is a special jointed rock mass...