连续监控下土石坝碾压参数的控制标准及其确定方法

为适应连续监控下土石坝施工中对碾压参数的控制要求,提出将行车速度持续超速时间、激振力持续不达标时间、压实厚度及碾压遍数合格率作为施工全仓面碾压参数的控制指标;并在分析各碾压参数与心墙坝料压实度之间相关性的基础上,建立了碾压遍数、压实厚度、料性参数（坝料含水率和级配）与压实度的多元回归模型;进而提出了满足现行规范要求的坝料压实质量所对应的、基于Monte-Carlo法的碾压遍数合格率控制标准的确定方法。工程实例分析表明,遵循所提出的碾压参数控制标准,心墙区试坑检验的坝料压实度均满足设计要求,从而为连续监控下土石坝碾压质量的控制提供了有效途径。     

Technology and application of real-time compaction quality monitoring for earth-rockfill dam construction in deep narrow valley

Compaction quality is one of the most important aspects of the construction quality control of earth-rockfill dams. In recent years, real-time compaction quality monitoring technology based on a global navigation satellite system (GNSS) for earth-rockfill dams has realized effective control for earth-rockfill dam construction quality. However, many high earth-rockfill dams have been built in deep, narrow valleys, where the satellite signal is blocked by the tall, steep slopes such that the accuracy of the location is not satisfactory or that determining the location is fully impossible, thus seriously affecting the continuity and accuracy of real-time monitoring. The existing monitoring technology cannot meet the monitoring requirements in deep, narrow valleys. This paper establishes the theory and a mathematical model of real-time compaction quality monitoring in deep, narrow valleys and proposes a new method for real-time compaction quality monitoring based on positioning compensation technology (PCT), which combines GNSS and Robotic Total Station (RTS). An all-terrain and whole-process compaction quality monitoring of earth-rockfill dam construction is realized through this new method, making up for the shortcomings of the monitoring of the compaction process that relies solely on GNSS. Practical application shows that the method guarantees the objectivity and integrity of the real-time monitoring results, which ensures the compaction quality of earth-rockfill dam construction in deep, narrow valleys.     

基于三维激光扫描技术的土石坝变形监测方法研究

由于土石坝结构复杂、非刚性等特点,受到外力作用时,各个部分变形呈现非线性变化,传统的单点监测存在一些局限性。提出了一种基于三维激光扫描技术的土石坝变形监测方法,将不同时期所采集的序列点云进行绝对定向完成坐标系统一,然后获取一组不同期的点云数据在同一位置处的剖面数据进行对比分析,监测大坝在水平与垂直方向的变形和位移。采用所提出的方法,在郑州市尖岗水库进行了试验,结果表明所提方法精度高,实时性强,能够满足水库大坝变形分析计算的要求。     

数字化施工下堆石坝模型参数空间估计及赋值

基于数字化施工技术实时采集的堆石坝碾压参数信息,可估计大坝任意位置处的坝料压实质量。通过室内大型三轴试验,建立了堆石坝坝料压实质量与邓肯–张模型参数的定量关系,进而可以实现大坝任意位置处的力学模型参数的空间估计。在此基础上,通过Abaqus软件二次开发,实现了能反映实际压实质量的每个计算单元本构模型参数的赋值。本文方法考虑了堆石坝实际施工质量的空间差异性而带来的坝料模型参数在空间上的差异性,可避免通常同一分区采用相同坝料力学参数可能导致的计算精度不足的弊端,从而为后续有限元精细分析堆石坝的应力变形提供前提条件。     

弱震情况下高土石坝坝料动力参数反演分析

通过传递函数结合黏弹性人工边界模型实现了三维河谷地形下地震动的输入问题,不仅考虑了坝基相互作用和地基辐射阻尼的影响,而且较好地考虑了河谷地形的影响,保证了大坝动力计算的地震动输入的合理性。然后利用多输出支持向量机代替有限元计算,需要的样本数量相对较小,并且避免了传统单一支持向量机容易忽略监测数据间的相关性的问题,精度满足计算的要求,最后利用粒子群优化算法对反演参数进行优化选择。对糯扎渡心墙堆石坝动力参数的反演结果表明,测点加速度与实测值吻合较好。说明提出的方法是可行的,适用于弱震情况,可以为缺乏强震或震害资料的坝体动参数反演提供依据。最大动剪切模量系数C值与三轴试验方法和缩尺效应等有关,反演得到的堆石料最大剪切模量系数C值比室内动三轴试验值偏大,可以为室内试验值修正提供参考;并且由于受到上游蓄水的原因,反演得到上游堆石料最大动剪模量系数C值又比下游堆石料小40%左右,工程应用时室内试验值建议予以适当的修正。     

新疆坝工技术进展

新疆有大小河流570余条,97%的河川径流形成于山区。因此,山区水库大坝建设是开发水能资源、实现水资源合理配置与有效调控的重要措施。自20世纪90年代以来,新疆的水库建设已从平原水库转入山区水库建设,筑坝材料也在当地材料坝的基础上不断改进,碾压混凝土坝、混凝土面板砂砾石堆石坝、沥青混凝土心墙堆石坝、土工膜防渗堆石坝等坝型不断涌现。结合新疆坝工建设,系统地总结了坝工技术特点和取得的主要技术创新成果,研究认为:以黏土心墙堆石坝为基础坝型,以混凝土面板砂砾石堆石坝和沥青混凝土心墙堆石坝为主要发展方向,在高寒地区、高地震区、深厚覆盖层等特殊环境和各种不良地质条件下的筑坝技术,是新疆坝工建设的显著特点。努力在坝工设计、坝基处理、施工工艺和建筑材料等关键技术取得不断进步和创新,对于提高大坝建设和运行管理的技术经济水平、安全可靠性能具有非常重要的促进作用。     

考虑相互作用影响的堆石料动力参数反演

通过黏弹性人工边界及相关的等效结点力法实现了半无限域的地震动输入,采用多种群遗传算法和径向基神经网络构建参数反演平台,建立了考虑坝基相互作用及辐射阻尼影响的土石坝动力参数反演分析模型。多种群遗传算法优化得到坝体堆石料动力参数,可有效避免传统遗传算法的早熟问题;经过训练的径向基神经网络描述模型参数和加速度反应谱值之间的映射关系,节省参数反演的计算时间。对鲤鱼潭大坝动力参数的反演结果表明,测点加速度与实测值吻合较好。考虑相互作用的反演得到堆石料最大动剪模量系数C值最大,刚性地基模型反演结果居中,室内动三轴试验值最小,工程应用时室内试验值应予以修正。     

严寒、高震、深覆盖层混凝土面板坝关键技术研究综述

自 20 世纪 90 年代以来,新疆的水库建设已从平原水库转入山区水库建设,以混凝土面板砂砾石坝为主要的当地材料坝,得到了迅速发展。新疆于 20 世纪 70 年代末,开始引进混凝土面板坝筑坝技术,采用天然砂砾石填筑百米级高坝,是区别于一般面板堆石坝的主要特点。针对严寒地区、深覆盖层、高地震区等不良环境地质条件,全面总结基础上系统地建立了混凝土面板砂砾石坝筑坝关键技术体系,阐述了在抗震结构设计、坝体变形控制、坝体渗流控制等方面取得的创新突破,研究指出施工工艺的不断改进,大型机械压实功能的不断增强,为该坝型推广应用和安全性能提高,提供了重要的技术保障。对于提高混凝土面板砂砾石坝建设和运行管理水平具有重要意义。     

高土石坝地震安全控制标准与极限抗震能力研究

基于土石坝震害调查和原型观测资料分析，针对高土石坝的坝坡稳定、坝体地震永久变形以及混凝土面板接缝位移3个影响高土石坝安全的主要因素，初步建议了相应的地震安全控制标准，并应用于高心墙堆石坝和面板堆石坝的极限抗震能力计算分析。结果表明：按规范设计的高土石坝具有较强的抗震能力，其极限抗震能力在0.50g以上，可抵抗9度以上地震而不致于出现灾难性后果；高土石坝的极限抗震能力与相应的地震安全控制标准密切相关，按照本文建议的标准，高心墙堆石坝坝坡稳定是其极限抗震能力的控制因素，高面板堆石坝面板周边缝安全是其极限抗震能力的控制因素。     

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。     

基于表面沉降法的堆石坝现场碾压试验分析

长河坝是目前国内已建成的高度第二、填筑总量第一的世界级高堆石坝,主体部分是以当地石料填筑的坝壳体,其碾压密实质量直接影响坝体施工及运营期的变形稳定。长期以来,堆石体的压实质量主要依靠挖坑测试法通过干密度指标来评估,不仅费时费力,且误差较大。依托长河坝水电站坝体堆石料的现场碾压试验,采用表面沉降法对压实质量进行评估,并与现场挖坑灌水法实测得到的密度进行对比。结果表明:采用表面沉降法计算的密度与挖坑灌水法实测密度基本吻合,现场压实质量可以通过沉降量或沉降率来控制;表面沉降法操作简单,可有效保证填筑质量,加快施工进度,为堆石体碾压特性研究提供了新的途径,具有较好的实用价值。     

Automatic control and real-time monitoring system for earth–rock dam material truck watering

Supplementing sufficient water to dam materials loaded on transportation trucks is the key in obtaining optimal moisture content of these materials, thus ensuring compaction efficiency of earth–rock dam construction. Conventional methods of manual truck watering are labor intensive, cause water wastage, and suffer from imprecise control of the volume of water supplement. We integrated radio frequency identification, global positioning system, geographic information system, personal digital assistant, and general packet radio service cellular network technologies to develop an automatic control and real-time monitoring system for dam material transport truck watering. The developed system automates the control of watering operations according to the volume carried by each truck and the type of dam material loaded. It also monitors continuously the whole process of truck watering. The case study of the NZD Dam project demonstrates the effectiveness and feasibility of the proposed system. It not only achieves automatic and high-accuracy truck-and-material-based watering process but also makes possible timely feedback for watering control and improvement, ultimately enhancing the compaction quality of dam materials and realizing better project performance.     

数字化施工下高心墙堆石坝结构性态精细数值模拟研究

为考虑实际施工质量对堆石坝结构性态的影响,提出了数字化施工下高心墙堆石坝结构性态精细数值模拟分析方法。首先,基于数字化施工技术估计得到了大坝任意位置处的坝料压实质量。其次,通过室内试验,建立了坝料压实质量与力学模型参数的回归关系模型,从而实现大坝任意位置处模型参数的空间估计。在此基础上,通过程序开发,实现了任意单元计算模型参数的精细赋值。最后,采用精细有限元模型实现了高心墙堆石坝应力变形的数值模拟,并采用精细扩展有限元模型实现了心墙蓄水期可能水力劈裂的预测模拟。计算结果显示该方法可以更好地反映大坝施工过程的变形情况,提高了计算的准确性。该方法充分考虑了大坝实际施工质量下坝料力学参数在空间上的差异性,克服了传统方法采用同分区相同坝料力学参数而导致的计算精度不足的弊端。     

Real-Time Quality Monitoring and Control of Highway Compaction

Compaction quality affects the long-term performance of highways, and thus is important in the highway construction. The current practice for compaction quality control primarily relies on the monitoring of rolling parameters such as rolling passes, speed and vibration of rollers, and lift thickness. Soil samples are randomly collected to evaluate the compactness. This practice is subject to two main limitations. First, the compaction monitoring and measurement are not always comprehensive since limited samples are manually collected. Second, compaction information cannot be disseminated to owners, supervisors, contractors, and operators in timely fashion. In this study, intelligent compaction (IC) technology is leveraged to monitor and control highway compaction quality. A new measure of compaction quality, compaction power per unit volume (E), is created and used with other IC measurement values such as compaction meter value (CMV) to achieve more reliable monitoring and assessment. Field experiments were conducted. The results demonstrated that the integration of CMV and E in the regression model leads to a higher coefficient of determination than that of using only CMV or E. A real-time monitoring system is developed, which not only evaluates the compaction quality of the entire area, but also synchronizes the compaction information among owners, supervisors, contractors, and operators in real-time. As such, this system cultivates an integrated “operator–contractor–supervisor–owner” quality control mechanism, which can improve the current highway compaction practice.     

静动力荷载下土石坝高聚物防渗墙受力特性分析

土石坝高聚物防渗墙与塑性混凝土及普通混凝土防渗墙相比，具有轻质﹑早强﹑环保﹑耐久等特点；施工中具有快速﹑经济﹑实用和对坝体影响干扰小等特点，现已在实际工程中得到了成功应用。但目前对于高聚物材料防渗墙成墙后的静动力特性缺乏计算分析研究。选择Duncan-Chang E-B非线性模型作为坝体模型，在防渗墙与坝体间设置面–面接触单元，建立有限元数值仿真模型。采用实际算例，对比分析了高聚物防渗墙与塑性混凝土、普通混凝土防渗墙在静力与地震荷载下的应力分布及破坏特性的差异，说明在同种工况下高聚物防渗墙应力最小，不易发生破坏，具有较好的安全性。     

高心墙堆石坝填筑标准的试验研究

近期建成的几座高心墙堆石坝的监测资料表明,坝体的分区变形协调性并没有达到设计目标。为此,结合建设中的长河坝300m级心墙堆石坝,开展了坝壳料的室内和现场大型相对密度试验,得到了相应的相对密度指标,并对各分区的填筑标准进行了讨论。结果表明:①由于级配为较好的分形分布、压实性优良,现场堆石区的填筑平均孔隙率达到19%,优于21%的设计指标,但相对密度仅为0.65;②根据规范要求设计的反滤2区、过渡区和堆石区的填筑相对密度在0.96～0.65之间,其压实程度存在明显差异,不易保证坝体各分区的变形协调;③采用与现场压实功能相匹配的室内相对密度试验技术,可解决高心墙坝的反滤料或面板坝的垫层料相对密度大于1的问题;④高坝堆石体的变形控制设计,需要考虑级配效应的影响,宜采用孔隙率和相对密度双控填筑指标。结论可为高堆石坝的设计与建设提供参考。     

土石坝变形计算的若干问题

本文针对当前土石坝变形计算中的一些重要问题进行了讨论。重点放在对应力路径影响、湿化变形和土的非线性弹性应力-应变本构模型等三大问题上。文中提出了一些理论原则意见和改进的计算方法。本文还对围压水平影响、碾压施工所造成的土料超固结和各向异性等问题作了简单的讨论。     

紫坪铺大坝下游坝坡震后抗震加固措施大型振动台模型试验研究

紫坪铺水库面板堆石坝坝顶区下游干砌石护坡在汶川地震中遭到了较严重的震损破坏,是大坝震后抗震加固处理的重点环节。综合考虑已有高土石坝坝坡抗震加固措施在大坝震后加固中的适用性,并参考浆砌石护坡在强震中表现出的良好抗震性能,浆砌石护坡成为了紫坪铺大坝下游坝坡震后抗震加固的重要选择。针对紫坪铺大坝坝坡震后抗震加固工程,进行堆石坝坝顶区坝坡抗震加固措施(干砌石护坡和浆砌石护坡)大型振动台模型试验,研究砌石护坡的抗震加固机理并验证其抗震加固效果;同时,结合大坝地震动力反应计算和大坝振动台模型试验的研究成果,确定了大坝坝顶区浆砌石护坡的加固范围。研究表明:浆砌石护坡在强震中具有良好的整体性,干砌石护坡在强震中的局部碎、块石滑移导致护坡整体渐进破坏,浆砌石护坡对堆石坝坡的保护作用明显优于干砌石护坡;紫坪铺大坝下游坝坡震后浆砌石护坡加固范围取为3/4坝高以上坝顶区坝坡较为合理。     

反应谱衰减系数变化对高土石坝地震响应的影响

标准反应谱曲线下降段系数γ是水工建筑物地震响应至关重要的参数。针对高土石坝的标准反应谱衰减系数γ的取值问题,采用三维有限元分析方法,以美国开展的"下一代的地震衰减关系(NGA)"研究中Abrahamson-Silva 2007衰减关系为参考依据,定量分析标准反应谱下降段衰减系数变化对高土石坝地震响应的影响,并探讨适合高土石坝的衰减系数取值。结果表明:对于高度超过200 m土石坝,其规范化的标准反应谱下降段的衰减系数γ取0.7比0.9更为合适。     

张河湾电站上水库坝体垫层料碾压试验研究

水库坝体垫层料的压实质量是控制坝体稳定、沉降变形和防止面板裂缝的关键,为保证张河湾水库坝体垫层料的质量,施工前需进行垫层料的现场碾压试验。通过现场碾压试验,了解影响垫层料压实质量的因素,确定最佳碾压参数,为坝体垫层料的施工提供了科学依据。