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.     

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。     

小湾高拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究

 结合小湾高拱坝坝肩坝基的地形、地质特征、软弱结构面分布状况、浅层松弛卸荷现象以及加固处理方案,建立三维地质力学模型,研制主要断层的变温相似材料,运用超载与降强相结合的综合法对整体模型进行破坏试验。通过试验获得小湾拱坝坝肩坝基的变形特征、失稳的破坏过程、破坏形态及破坏机制,得到强度储备系数为1.2,超载系数为3.3～3.5,确定拱坝坝肩坝基整体稳定综合法试验安全系数为3.96～4.20。对试验数据的综合分析得出,两坝肩中上部高程部位由于对断层和蚀变带采用了混凝土洞塞置换,其变位相对较小,破坏形态和破坏范围相对较轻,说明混凝土加固洞塞置换起到较好的加固效果。根据试验显示的破坏形态和破坏区域,建议对右坝肩下游1 245 m高程以上的断层F11和F10做一定范围的处理,对左坝肩推力墩以上部分岩体进行适当的加固处理。     

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。     

木里河立洲拱坝整体稳定地质力学模型试验研究

采用三维地质力学模型超载法试验,对立洲拱坝的整体稳定性进行研究,在模型中充分反映断层、层间剪切带、裂隙密集带及长大裂隙等复杂地质构造对拱坝与地基整体稳定性的影响。通过超载法破坏试验获得坝体、坝肩、坝基岩体及结构面的变形特征、破坏失稳过程、破坏形态和破坏机制,揭示影响稳定的控制性因素和工程薄弱部位,确定拱坝与地基在各阶段的超载安全系数为：起裂超载安全系数K1 = 1.4～2.2,非线性变形超载安全系数K2 = 3.4～4.3,极限超载安全系数K3 = 6.3～6.6。通过对比分析类似拱坝工程的超载法试验结果可知,立洲拱坝的超载安全系数在统计分布范围之内,但两坝肩中上部的岩体和结构面局部破坏较严重,需对这些薄弱部位进行重点加固处理,以进一步提高坝与地基的整体稳定安全性。     

大藤峡闸坝典型坝段坝基稳定模型试验研究

在工程荷载和渗透水压的共同作用下,水闸工程坝基岩体强度和变形参数极易产生弱化,这对工程的安全建设和运行极其不利。针对大藤峡闸坝基岩的多层单斜和软弱夹层长大密集等不利地质条件,有必要对泄水闸坝段基础的滑移破坏模式做进一步研究。本文采用综合法地质力学模型试验,对大藤峡典型坝段闸坝与地基的整体稳定性进行破坏试验研究。通过超载和降强两种方式,获得了闸基在正常状况、降强阶段和超载阶段的变位特性,探明了闸坝与基础的破坏过程及破坏形态。研究结果表明,在降强和超载两阶段,坝基变位均较正常工况有所增加,且埋深较浅的软弱夹层变位更为明显。随着超载倍数增加,软弱结构面R9、R14、R17、R19的浅表层部分相继开裂,最终表现为沿基础表层滑动失稳的趋势,揭示浅层结构面对闸坝与地基的变形稳定起控制作用。     

固化剂改良黄土的水稳定特性

选用新型高分子材料SH固化改良黄土,研究了改良黄土的室内静水崩解、浸水强度及干湿循环模拟试验下的水稳定特性.结果表明：素黄土在静水中湿化严重,而SH改良黄土在静水中则结构形态完好,无崩解现象;改良黄土浸水后强度降低较大,但烘干后强度仍较高,固化体水稳系数大于0.8,且其水稳性效果优于水泥黄土;干湿循环15次后改良黄土仍然能保持较高的强度值,质量损失也较小,试件整体性良好.SH为水溶性液体改良材料,其使用方便,用较少量就可以有效提高黄土的强度,增强黄土的水稳定特性,且效果明显.研究结果可为黄土地区渠道、土坝护坡、边坡等工程的加固改良提供依据和指导.     

雅砻江孟底沟水电站拱坝拱座抗滑稳定研究

保证拱坝的拱座稳定是拱坝设计和建设的重要问题。孟底沟拱坝两岸抗力体内以断层及蚀变带为代表的各种结构面相对发育且类型复杂,这些结构面相互组合形成的可能滑移块体的稳定问题对孟底沟拱坝方案的成立构成了较大的威胁。本文以传统的刚体极限平衡法及新兴的刚体弹簧元法为主要数值分析方法,结合拱坝——基础整体地质力学模型试验,对孟底沟拱坝坝肩抗滑稳定进行了全面深入的计算分析与论证。通过综合数值分析和模型试验的结果对拱坝的拱座稳定性做出了综合评判,识别了坝肩岩体相对薄弱的部位,并对增强拱坝坝肩稳定的工程措施提出了合理建议。     

武都碾压混凝土重力坝深层抗滑稳定破坏试验研究

通过建立武都碾压混凝土重力坝典型坝段坝基的地质概化模型,采用三维地质力学模型试验方法对其天然地基条件下的深层抗滑稳定问题进行系统研究.试验对典型坝段的地形、地质条件,包括岩体、断层、节理等主要地质缺陷的特征进行模拟,根据岩体力学参数及软弱结构面力学参数,研制出适合武都工程地质条件的模型材料,采用超载法进行破坏试验研究.根据试验结果,分析坝体、坝基以及主要断层的变形特征,探讨坝与地基整体失稳的破坏过程、破坏形态和破坏机制,揭示影响坝基稳定的控制性因素,获得典型坝段的滑动破坏机制与稳定安全系数.在此基础上,对坝基加固处理措施进行讨论,为典型坝段的深层抗滑稳定安全评价与基础加固处理设计提供科学依据.     

考虑堆石料软化特性的坝坡动力稳定和滑移变形分析

对10组已建或拟建工程堆石料低围压下三轴固结排水剪的试验数据进行分析整理,得到相应的峰值强度和残余强度,并拟合出考虑堆石料软化的归一化残余强度曲线。在此基础上,采用有限元动力稳定和滑移分析方法分别进行考虑和不考虑堆石料软化的稳定计算,并对计算结果进行讨论。结果表明:在低围压条件下,堆石料发生应变软化现象,整理的堆石料归一化残余强度曲线可为考虑堆石料软化的有限元动力稳定计算提供参考;地震过程中,无论是坝坡的最小安全系数,还是滑裂面的滑移量,随着加速度峰值的增加,是否考虑软化的计算结果差别逐渐增大。考虑坝坡堆石体的软化,对高面板堆石坝极限抗震能力评价具有重要的意义。     

层状岩体坝基抗滑稳定分析中的几个问题

展状岩体坝基抗滑稳定分析是坝工建设中重要问题之一。但是分析方法还不完善,目前正进行多方探索,其中用极限平衡理论进行分析比较普遍,近年来有限单元法也在逐步开展,有的工程还补充进行脆性材料模型试验。本文以某工程为例,介绍了上述方法的应用,并对稳定分析中的一些问题提出初步看法.     

基于强度折减法的尾矿库（坝）稳定性计算

将渗流—应力耦合思想引入到强度折减法中,以云南某尾矿库的初步设计资料为依据,对该尾矿库不同水位高度下的稳定性进行了分析,并根据已知的数据验证了计算结果的可靠性,研究成果完善了强度折减法在尾矿坝工程中的应用。     

重力坝抗滑稳定的强度折减法探讨及应用

 通过两个比较典型的重力坝坝基模型，应用有限差分强度折减法对坝基抗滑稳定进行分析，并与极限平衡的Sarma法进行对比，得到比较一致的结果，说明强度折减法在重力坝抗滑稳定分析中是可行的。同时也对强度折减法的极限状态判别标准进行初步探讨，认为对于折线型底滑面的失稳模式，用塑性区贯通的判据有所保守，用滑面以上特征点的位移突变作为极限状态判据，可得到与极限平衡法一致的结果。     

硬脆性岩石的流变长期强度及细观破裂机制分析研究

岩石的流变力学特性是影响水电坝基稳定性的重要因素,而流变长期强度是评价坝基岩体长期稳定性的重要指标 。根据大岗山水电站坝基辉绿岩的三轴流变试验结果,分别用等时应力–应变曲线簇法、非稳定蠕变判别法、流变体积应变法和加卸载流变残余应变法进行了硬脆性辉绿岩流变长期强度的分析。结果表明：对于完整辉绿岩的长期强度, 4 种方法得出的结果较为一致;而对于含裂隙辉绿岩,流变体积应变法得出的结果与实际情况更为相符。通过对破裂辉绿岩的电镜扫描观察,发现辉绿岩的长期宏观强度主要取决于岩体内部矿物颗粒镶嵌组合的牢固程度及矿物之间的胶结程度。     

Dam foundation excavation techniques in China:A review

A protective layer(PL) is commonly reserved above foundation surface to protect the underlying rock mass during dam foundation excavation. In China, the PL of dam foundation is conventionally subdivided into two or three thin layers and excavated with the shallow-hole blasting method, even by pneumatic pick method in case of soft rock mass. The aforementioned layered excavation of the PL delays the construction of the whole project. After nearly 30-year practices, several safe and effcient methods for the PL excavation of dam foundation are gradually developed. They include shallow-hole bench blasting with cushion material(SBC) at the bottom of the hole, and horizontal smooth blasting(HSB). The PL is even cancelled on the condition that horizontal pre-split technique is employed during dam foundation excavation. This paper introduces the aforementioned two PL excavation methods(shallow-hole blasting and bench blasting) and horizontal pre-split technique of dam foundation without protective layer(HPP). The basic principles of blasting method, blasting geometry, charge structure, drill-and-blast parameters of typical projects are examined. Meanwhile, the merits and limitations of each method are compared. Engineering practices in China show that HSB is basically the optimal method for dam foundation PL excavation in terms of foundation damage control and rapid construction. Some new problems for dam foundation PL excavation arising, such as strong unloading and relaxation phenomenon that encountered in the gorge region of southwest China, are needed to be addressed; and the corresponding countermeasures are discussed as well.     

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。     

Treatment design of geological defects in dam foundation of Jinping I hydropower station

Jinping I hydropower station is one of the most challenging projects in China due to its highest arch dam and complex geological conditions for construction.After geological investigation into the dam foundation,a few large-scale weak discontinuities are observed.The rock masses in the left dam foundation are intensively unloaded,approximately to the depth of 150–300 m.These serious geological defects lead to a geological asymmetry on the left and right banks,and thus some major diffculties of dam construction are encountered.In this paper,the influences of geological defects on the project are analyzed,followed by the concepts and methods of treatment design.Based on the analysis,the treatment methods of the weak rock masses and discontinuities are carefully determined,including the concrete cushion,concrete replacement grids,and consolidation grouting.They work together to enhance the strength and integrity of the dam foundation.Evaluations and calibrations through geo-mechanical model tests in combination with feld monitoring results in early impoundment period show that the arch dam and its foundation are roughly stable,suggesting that the treatment designs are reasonable and effective.The proposed treatment methods and concepts in the context can be helpful for similar complex rock projects.     

三峡左厂3#坝段深层抗滑稳定三维有限元分析

建立了包含基岩内大量节理裂隙和断层并且反映它们的真实产状和分布的三维有限元计算模型,研究了三峡工程左厂3#坝段的深层抗滑稳定问题,提出了一个合理实用的坝基安全系数的判断原则,给出了合理的基于强度储备概念的左厂3#坝段抗滑稳定安全系数。     

武都水库18号坝段深层抗滑稳定性分析

采用有限差分强度折减方法研究了武都水库大坝加固前后坝基深层抗滑稳定性问题,并与极限平衡方法计算结果进行对比,结果表明,强度折减法的计算结果合理可靠,坝基加固措施效果明显。     

白鹤滩拱坝谷幅变形预测及不同计算方法变形机制研究

中国已建成的特高拱坝如溪洛渡、锦屏一级等,在初期蓄水过程中均表现出了谷幅收缩的异常现象。而拱坝是高次超静定结构,对坝基变形尤其是不均匀变形非常敏感。从有效应力改变和岩体材料泡水弱化这一谷幅变形机制和边界施加位移这一计算手段出发,利用弹塑性有限元方法,计算并预测白鹤滩拱坝在初期蓄水过程中可能产生的谷幅变形,并分析了谷幅变形对大坝位移和应力的影响。结果表明:两种方法的计算结果相差很大;从有效应力改变和岩体材料弱化角度出发,白鹤滩拱坝两岸山体可能产生的最大谷幅收缩不大于40mm,且该谷幅变形不会很大程度上降低拱坝的整体稳定性,只是使坝体产生了新的应力集中区。而拱坝对施加边界位移具有很强的超载能力,但谷幅收缩对坝体应力的影响极小。对比发现,坝基不均匀变形是影响拱坝应力的关键因素。