高土石坝复杂材料筑坝技术新进展

抽水蓄能电站的大力发展为土石坝建设带来了新的发展形势，也带来了复杂材料筑坝的新技术问题，包括全强风化料筑坝、库底填筑碎石土等带来的大坝变形、稳定及防渗体系安全等问题。通过近年来的工程实践和研究，高土石坝复杂材料筑坝技术有了新进展。总结了复杂材料筑坝已有经验，并以句容、文登、溧阳、镇安抽水蓄能电站上水库复杂材料筑坝为例，提出了抽水蓄能电站土石坝建设的关键问题及对策措施。     

高土石坝试验技术与安全评价理论及应用

我国是世界上高土石坝数量最多的国家,复杂建坝条件和恶劣服役环境下高土石坝建设和长期安全保障面临着严峻的技术挑战。简要介绍了近年来有关坝体粗颗粒料试验技术、坝基覆盖层原位测试技术、高土石坝离心机振动台模型试验技术、高土石坝溃坝离心模型试验技术、高土石坝安全评价以及灾害预测理论等领域的研究成果及推广应用情况。研发了高土石坝粗粒料力学性质试验设备,在深入揭示复杂荷载和变化环境下粗粒料力学性质演化规律及其对高土石坝变形影响机制的基础上,构建了粗粒料本构理论体系;研发了深厚覆盖层力学性质测试技术与分析方法,破解了多年来无法准确测定具有显著结构性深厚砂砾石覆盖层力学性质的技术难题;创建了高土石坝地震破坏灾变与溃坝试验技术与分析方法,用物理模型试验定量预测高土石坝地震残余变形及其发展规律;提出了高土石坝地震安全评价标准和极限抗震能力计算方法。研究成果已成功应用于紫坪铺、水布垭、吉林台、长河坝、糯扎渡、如美、大石峡、阿尔塔什以及马来西亚巴贡水电站等一批高土石坝工程,部分成果纳入相关设计规范与国家和行业标准。     

覆盖层土体和筑坝堆石料力学参数室内外联合确定方法

岩土体力学参数测试是岩土工程工作的基础性问题,也是影响工程设计的关键问题,因此本文基于室内和现场试验研究覆盖层土体和筑坝堆石料力学参数的室内外联合确定方法,针对粗、中、细各类土,构建了室内和现场试验相结合、材料试验与模型试验相结合,大、中、小不同尺度相结合,强度、变形、残余变形等多参数测试相结合的理念先进、设备齐全、功能完善的系统实验平台,开展了联合室内和现场试验确定土体静动力特性参数的系统研究,形成了涵盖覆盖层土体和坝体堆石料力学特性的室内外联合测试和判释方法,开辟了一条考虑覆盖层土体原位结构效应和考虑筑坝堆石料尺寸效应确定土体工程力学特性参数的可行途径,能够为覆盖层地基和坝体系统的静动力分析提供成套的系列参数,研究成果已应用于十余项国家重点建设工程的设计。     

土石坝施工技术的现状与发展趋势

阐述了土石坝施工技术发展的现状,围绕着未来高土石坝建设的特殊地理位置、水文气象、地形地质,以及经济发展等,对土石坝施工技术发展趋势的展望认为,土石坝散粒体结构所具有的适应变形能力使其在地震多发、具有深厚覆盖层的西部地区更具合理性;超大型土石方施工机械制造技术,提高了土石方施工的机械化水平,从而在工期、造价等方面比其他坝型更具竞争优势;地基防渗处理技术的突破,使高土石坝在深厚覆盖层、基岩软弱或存在地质缺陷地区筑坝更具有经济性,更具生命力。     

土工抗震60年研究进展与展望

本文论述了土工抗震学科的创立、发展和创新历程,并对汶川地震后土工抗震研究的新进展和主要成果进行了论述和总结,在此基础上对土工抗震学科今后的研究重点进行了展望。自汪闻韶院士1958年在中国水利水电科学研究院创立我国第一个土动力学试验室、开创我国土动力学和土工抗震学科以来,土工抗震学科在土体动力特性测试技术、土的液化机理及判别方法、土工振动台动力模型试验、土体真非线性动力本构模型、土石坝及地基抗震安全评价方法、室内外试验联合确定土体动力特性参数、土石坝及地基抗震设计理论(思想)和原则等方面取得了创新性和开创性的进展,奠定了我国土动力学和土工抗震研究的理论基础和领先地位。2008年汶川地震后,围绕高土石坝抗震的新需求,在高土石坝极限抗震能力分析方法、高土石坝地震破坏模式、高土石坝抗震减灾工程措施等方面取得了一系列新进展,逐步建立了室内试验和现场试验相结合、原型震害-数值模拟-物理模拟相结合、变形分析和稳定分析相结合、整体稳定分析和局部稳定分析相结合的高土石坝抗震安全评价体系。未来迫切需要开展复杂深厚覆盖层上高土石坝抗震关键技术,特高土石坝地震灾变行为与安全控制,基于性能的高土石坝抗震安全评价及灾害控制,水库大坝抗震监测预警、应急处置等方面的研究。     

双江口水电站特高心墙堆石坝建设关键技术研究

双江口水电站300 m级心墙堆石坝是世界在建的第一高坝,在可研阶段开展了坝基覆盖层及筑坝材料特性、防渗土料改性、坝体结构型式及分区方案、抗震安全评价及抗震措施、智能大坝管控系统等一系列关键技术研究,取得了丰富的研究成果。而随着工程建设的推进和技术的不断发展,还需在河床覆盖层建基条件、坝体结构分区及坝料特性、特高土石坝长期变形特性、高海拔冬季土料冻融规律及大坝防渗土料施工措施、特高坝安全监测等方面的关键技术进行深入研究,以保证工程的科学建设。     

高土石坝筑坝材料特性的认识与思考

高土石坝建设日新月异,为了科学有效地确保大坝的安全,在高土石坝建设过程中需要开展各项科研工作。文章基于已建的卡拉贝利工程、在建的阿尔塔什及大石门工程对大坝筑坝材料砂砾石和爆破料的研究成果,提出对变形特性、渗透特性、压实指标等的认识和思考,旨在为今后高土石坝的设计、建设和科研提出研究和探讨的方向。主要观点是砂砾料与爆破料在变形规律上会表现出一定的差异性,对于混合坝体需要重点关注两者的变形协调性;砂砾料应按照规范要求进行原级配相对密度试验,确定其压实标准;砂砾料宜根据其碾压特性开展相应的渗透性试验;堆石料宜研究孔隙率与相对密度双控标准的合理性。     

高土石坝地震永久变形研究评述

在强震荷载作用下,土体将产生不可恢复的瞬时滑移变形或整体永久变形。永久变形的发展严重危及高土石坝的安全和正常使用,如何预测土体地震后的永久变形成为高土石坝抗震性能安全评价中一个重要的方面。围绕西部大开发和南水北调战略的需要,对高土石坝抗震性能安全评价研究的现实意义和研究现状进行了论述,综述了目前国内外有关高土石坝地震永久变形的分析方法,对今后高土石坝抗震性能安全评价的研究方向提出了一些建议。     

长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室喜获国家自然科学基金委员会-雅砻江流域水电开发有限公司雅砻江联合基金重点项目立项

正长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室收到国家自然科学基金委员会关于国家自然科学基金委员会-雅砻江流域水电开发有限公司雅砻江联合基金重点项目2017年度课题立项通知。程展林教授级高级工程师依托长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室"粗粒料力学特性与高土石坝变形预测"创新团队的雄厚研究基础,联合南京水利科学研究院、雅砻     

基于弹塑性模型参数反演的高土石坝地震响应预测

合理准确描述堆石料的力学特性是高土石坝地震响应预测和安全评价的重要前提。以特高心墙坝填筑期变形的监测结果为目标值开展了三维反演分析,获取了反映大坝真实状态的坝料广义塑性模型和邓肯张E-B模型的参数,探讨了两种本构模型描述高土石坝变形的精度,随后采用反演的广义塑性模型参数开展了高土石坝的地震响应预测及安全评价。结果表明：目前反演分析常用的邓肯张E-B模型无法兼顾竖向和水平变形,且反演参数无法用于动力分析;静动统一的广义塑性模型计算的竖向和水平位移均与实测结果吻合良好,并可直接用于大坝的动力响应预测。所建立的一整套基于弹塑性模型参数反演的高土石坝地震响应预测分析方法,可为高土石坝的安全评价和风险预警提供可靠的技术支撑。     

察汗乌苏水电站坝基覆盖层土料的动强度特性

通过大型与中型动三轴试验，对新疆察汗乌苏水电站混凝土面板堆石坝坝基土料动强度与动孔压特性进行了试验研究。根据试验结果和以往成果中坝基动剪应力比分布规律初步估计，在该工程给定的地震设计烈度条件下，该坝基覆盖层可以满足建坝要求，不会发生液化破坏。研究成果可为深厚覆盖层地基上高土石坝的抗震稳定性计算和安全性评价提供科学依据，为深厚覆盖层工程特性的进一步研究提供参考。     

深厚覆盖层上高心墙坝地震惯性力动态分布系数研究

对于强震区坐落在深厚覆盖层(深度超过50 m)上的高土石坝,通过拟静力稳定分析结果初步判定其抗震稳定性是抗震设计的主要内容,其中水平向地震惯性力沿坝基覆盖层至坝顶的动态分布系数是关键。然而,现行《水工建筑物抗震设计标准》(GB 51247—2018)中地震惯性力动态分布系数多基于坐落在基岩上的高土石坝的动力响应规律确定,现有动态分布系数忽略了深厚覆盖层和地震动强度对地震动传播规律的影响。因此,以坐落在深厚砂砾石覆盖层上150 m级高黏土心墙堆石坝为研究对象,结合现行土石坝设计规范和国内已建高土石坝实例,基于统计平均的方法确定了坝顶宽度、坝料分区、坝坡坡比、覆盖层材料的静、动力特性等关键参数,深入探讨了150 m级高黏土心墙堆石坝在小震(0.1 g)、中震(0.2 g)和大震(0.4 g)规范谱地震动作用下不同深度砂砾石料覆盖层的动力响应分布规律,进而总结归纳出不同深度覆盖层下150 m级高黏土心墙堆石坝的水平向地震惯性力的动态分布系数,将其引入到拟静力法稳定分析中,最后基于最危险滑动面和最小安全系数与现行规范所得结果进行对比分析。研究结果表明,小震(0.1 g)和中震(0.2 g)下采用文中推荐的考虑深厚覆盖层和地震动输入强度影响的水平向地震惯性力动态分布系数时将得到更符合工程实际的评价结果。研究成果可为深厚覆盖层上的高土石坝抗震设计提供参考依据。     

沥青混凝土心墙堆石坝地震变形评价方法及其可靠度分析

沥青混凝土心墙堆石坝可就地取材,工程造价低,在我国西部强震区被广泛应用。因其工作条件复杂,且筑坝材料具有非线性特性,故其地震安全评价问题一直受到工程界的关注。因此开展地震作用下沥青混凝土心墙堆石坝的可靠度分析具有理论意义和工程应用价值。本文以坝体裂缝作为坝体地震变形破坏的判断依据,将坝体地震变形倾度作为地震安全的控制指标,建立了基于倾度法和中心点法的沥青混凝土心墙堆石坝地震变形可靠度分析方法。以某98 m高的沥青混凝土心墙堆石坝为例,进行了地震变形的可靠度分析。结果表明:基于本文沥青混凝土心墙堆石坝地震变形可靠度分析方法,获得的大坝设计基准期内的年计地震变形失效概率py=2.156×10^-6,对应的可靠指标β=4.6,满足规范要求;采用倾度法和中心点法相结合,可以考虑坝体材料分区的影响,获得较为准确的土石坝地震变形失效概率结果,对土石坝具有普遍适用性。本文提出的土石坝坝体地震变形可靠度分析方法,可为沥青混凝土心墙堆石坝抗震设计、地震风险分析以及风险等级的建立提供依据。     

高心墙堆石坝地震动力特性及抗震极限分析

虽然土石坝具有较好的抗震性能,而且一些高土石坝还经过了强震考验,但土石坝的极限抗震能力仍是人们关心的问题.数值模型方法是预测大坝地震动力反应和进行地震安全评价的有效工具.本文采用三维有限元方法分析了某高心墙堆石坝的地震动力特性,探讨了大坝地震破坏评价标准,并在此基础上开展了大坝极限抗震能力研究.根据大坝动力响应的特点,分析了可行的抗震工程措施.     

现代坝工技术及其发展趋势(一)

简要回顾坝工技术发展的历史，重点介绍重力坝、拱坝和土石坝等坝型在设计理论、设计方法和筑坝技术等方面的发展过程和当前研究水平，针对计算分析中存在的问题，反分析研究愈来愈受到重视．同时也对当前流行的碾压混凝土坝、混凝土面板堆石坝、复合土工膜防渗土石坝等新材料、新坝型、新技术进行了论述．在深厚透水坝基防渗处理方面重点介绍混凝土防渗墙技术和高压喷射灌浆处理技术等．     

土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用研究

在我国西部强震区拟建的土石坝多坐落于覆盖层上,覆盖层土体具有动力非线性和饱和特性,土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用复杂。为研究土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用特性,分别采用地震动一致输入方法(联合地震惯性力和约束边界)和非线性波动输入方法(联合自由场非线性动力响应和非线性人工边界),对覆盖层上土石坝进行有限元动力反应分析,考虑了覆盖层厚度、土体动力特性、地震强度及地震波频谱特性的影响效应,着重讨论了大坝的加速度反应峰值。结果表明:在覆盖层土体饱和特性的影响下,一致输入方法不能合理模拟大坝体系动力的相互作用,所获得的坝体竖向加速度反应误差显著。非线性波动输入方法理论上更为严密,其所获得的坝顶竖向加速度峰值较一致输入方法降低明显,降低率为20%～62%,且当输入地震动以高频成分为主时一致输入方法的误差较大。对于坝顶水平向加速度峰值,非线性波动输入方法较一致输入方法的降低率为5%～32%。当土体材料阻尼效应明显时一致输入方法的误差较小,当输入地震动以低频成分为主时其误差较大。一致输入方法会明显低估覆盖层上土石坝的极限抗震能力。当土石坝可能遭受竖向分量较大的近场地震时,有必要采用非线性波动输入方法评价大坝抗震性能。     

土石坝工程领域的若干创新与发展

我国高土石坝数量居世界之首,保证高坝大库建设与长期运行安全是国家经济和公共安全保障的重大需求。系统总结了长江科学院近年来在土石坝工程领域的若干创新与发展。提出了基于“旁压模量当量密度法”的粗粒料级配相似理论试验方法;介绍了研发的系列CT三轴仪,实现了粗粒料组构要素的定量测量;提出了三轴试验中加载板与试样之间由滑动摩擦变为滚动摩擦、整体式接触变为分散式接触的减摩新方法,研发了相关减摩装置;研制了大尺寸、高压力、微摩擦、刚柔复合加载的土工真三轴仪;揭示了粗粒料真实三维应力条件下的强度与变形变化规律、湿化与蠕变变形特性;构建了粗粒料三参量非线性K-K-G剪胀模型、六参数湿化模型、九参数蠕变数学模型及相应的参数确定方法;基于当量密度法的原创思想,提出了利用旁压试验间接确定超百米级深厚覆盖层现场密度的试验方法。上述研究成果可为高土石坝工程建设提供重要科技支撑。