堤坝高聚物防渗墙静力荷载试验与数值分析

为了对比高聚物防渗墙和混凝土防渗墙在静力荷载下的受力特性,以非水反应类聚氨酯高聚物防渗墙和混凝土防渗墙为实例,开展了2种防渗墙在静力荷载下的试验研究。同时利用ABAQUS有限元软件对静力荷载下防渗墙的受力特性进行数值模拟。结果表明:数值计算结果与试验数据吻合较好,高聚物防渗墙在相同的静力荷载作用下应力值远小于混凝土防渗墙,且高聚物防渗墙与土体变形协调能力较好,不易发生破坏。     

深覆盖层上土石坝心墙与防渗墙连接型式研究

深厚覆盖层上建造的土石坝常采用封闭式防渗系统。当心墙坝防渗系统坝体采用沥青混凝土心墙、坝基采用封闭式防渗墙时,心墙混凝土基座、防渗墙与相邻土体之间将产生不均匀沉降,易引起基座混凝土断裂和坝壳及覆盖层土体剪切破坏。针对心墙坝坝体心墙与坝基防渗墙合理的连接型式问题,结合某水库工程,采用非线性有限元法,建立三维有限元模型,分析研究了心墙基座与防渗墙不同连接型式下坝体与坝基的变形和应力。通过坝体和坝基的变形协调分析以及心墙基座和防渗墙的应力分析,推荐了合理的连接型式,即深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝坝基采用封闭式防渗墙时,宜采用心墙基座与防渗墙间预留空隙的连接型式,其空隙大小与坝基覆盖层厚度及其力学特性以及防渗墙弹性模量有关,需经计算分析确定。     

塑性混凝土坝体防渗墙施工技术探究

塑性混凝土具有较强的流动性,质软,能够和较软的基础相适应,且具有良好的防渗性能,所以在湖泊、江河、水库等工程坝体防渗墙施工中得到广泛的应用。塑性混凝土坝体防渗墙施工技术具有防渗效果好、适于变形、施工快速、造价低等优点,将其科学运用到坝体施工中能够发挥出非常重要的作用。为此,文章对塑性混凝土防渗墙展开概述,并分析与探讨塑性混凝土坝体防渗墙施工技术,希望能对广大同行有所助益。     

塑性混凝土的性能与应用综述

塑性混凝土广泛用于水工建筑的土石坝基和坝体防渗墙以及病险坝体的修复处理等。从塑性混凝土的特点、性能、研究与应用等方面进行了简单介绍,最后指出塑性混凝土防渗墙在同类工程中可进一步推广应用。     

爆炸振动对塑性混凝土防渗墙的影响

 根据混凝土结构设计规范和混凝土材料力学特性的研究成果,在塑性混凝土室内力学特性实验的基础上提出适合塑性混凝土材料受压和受拉状态下的全应力–应变关系。同时结合损伤力学中的能量等效原理,分别定义塑性混凝土材料在受压和受拉状态下的损伤定义,分析损伤发展过程。在此基础上,以辽宁红沿河核电站取水口施工围堰的防渗墙爆破振动控制为背景,采用数值计算分析在爆炸振动作用下,防渗墙顶部质点振动速度与防渗墙损伤面积的关系,据此制定塑性混凝土材料的爆炸振动速度控制标准。分析结果表明,当周围爆炸作用在防渗墙顶部产生的振动速度小于3.0 cm/s时,不会对混凝土产生影响;当振动速度为3.0～7.5 cm/s时,塑性混凝土损伤面积随振动速度线性增长;当振动速度超过7.5 cm/s时,损伤开始加速上升,防渗墙开始产生结构和功能性的破坏。     

考虑角隅的轻骨料混凝土的四参数统一强度破坏准则

轻骨料混凝土在高压应力状态下有平台流塑特性,其破坏强度极限面有别与普通混凝土的开口破坏面,空间上呈两头闭合的状态,与普通混凝土的强度准则有所不同.根据有关试验资料采用双剪统一强度理论的角隅模型,考虑轻骨料混凝土在高压应力比下的流塑特性,建立了适用于轻骨料混凝土的四参数统一强度破坏准则,并通过实例对此破坏准则进行了验证,发现试验和计算数据吻合得较好,说明了该强度准则的合理性.     

基于混凝土多轴强度的高土石围堰防渗墙安全性研究

塑性混凝土材料广泛用于水工建筑物基础的防渗处理中,尤其在高土石围堰防渗墙中得到了较大规模的应用,但其材料试验方法及结构计算中所采用的安全评判标准尚无相应的规程规范。以往常采用土石料的三轴压缩试验方法获取塑性混凝土的变形及强度参数,并采用应力水平衡量围堰塑性混凝土防渗墙的安全性。但应力水平由土体三轴压缩状态引入,其多用于适应莫尔库仑摩擦强度理论的散粒体材料安全状态的评判,对于应力状态复杂的深防渗墙混凝土材料宜通过混凝土强度理论进行安全复核。通过对高土石围堰防渗墙应力状态的分析,引入包含混凝土多轴强度的安全度准则,以白鹤滩大坝上游高土石围堰防渗墙为例,利用三维有限元分析,比较基于应力水平与安全度准则评价防渗墙安全性的差异,表明安全度准则较应力水平能更为灵敏地反映防渗墙安全性态,认为在三轴受压状态下应力水平尚能较好的反映防渗墙的安全状态,但在拉应力较明显的条件下宜采用基于混凝土多轴强度的安全度准则进行复核。     

混凝土坝体防渗墙对坝坡稳定影响的有限元研究

在国内大规模实施的土石坝除险加固工程建设中,封闭式坝体混凝土防渗墙得到了大量应用,而关于土石坝除险加固工程中增建混凝土防渗墙后是否对坝坡稳定产生影响的研究较少,工程设计上也很少考虑。由于土石坝中建设防渗墙后,坝体的渗流场和应力场均会发生改变,因而也必然会对坝坡稳定产生影响。本文通过依托大型非线性有限元软件ABAQUS,运用有限元强度折减法计算,对增建防渗墙前后的上下游坝坡稳定安全系数进行比较分析,探讨防渗墙对坝坡稳定的影响机理和规律,并对计算收敛、土体位移、塑性区贯通等3种失稳判据的分析结果进行比较,说明各评价标准的差异、合理性及其适用性。通过上述分析可得:建设防渗墙一方面对于坝体渗流场具有明显的截流作用,另一方面可以提高下游坝坡稳定的安全系数,从而可以提高土石坝坝体的整体稳定性。本文的研究结果对实际工程中防渗墙的设计应用及工程运行管理具有重要意义。     

塑性混凝土防渗墙的施工特点

分析了塑性混凝土防渗墙的施工特点,以及与普通混凝土施工的不同之处,为施工与设计等技术人员提供了必要技术参考。     

考虑各向异性影响的循环弹塑性模型

软黏土在动荷载作用下具有显著的非线性、滞回性和变形累积性等动力特性,因此采用弹塑性模型来描述土的动应力应变关系更为合理。基于混合硬化塑性模量场理论,建立了一个总应力形式的、屈服面连续变化的饱和黏土不排水增量弹塑性动本构模型。模型克服了一般嵌套塑性模型因在模量场中存在共轭点而具有奇异性的不足,不需要记忆应力反向面,也不需要判断当前屈服面是否超过应力反向面进而引入零圆心位置的过渡应力反向面,极大地简化了模型和数值计算。由于现有弹塑性动本构模型通常不能考虑各向异性固结对土体变形和破坏的影响,通过在破坏面方程中引入各向异性偏应力张量来反映各向异性的影响。对试样动三轴试验的结果与文献模型计算结果的对比分析表明:模型能够合理地描述土的主要动力特性及应力诱发各向异性对土体变形和破坏的影响。     

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。     

深覆盖层上面板堆石坝防渗墙应力变形性状影响因素的研究

采用数值分析方法对深覆盖层上混凝土面板堆石坝的防渗墙应力变形性状进行了研究。研究了覆盖层特性、防渗墙混凝土特性、防渗墙施工顺序、防渗墙与坝趾之间距离和防渗墙形状对于面板堆石坝防渗墙应力变形性状的影响。总结出一些规律并提出相应的工程建议。     

八一水库大坝防渗处理

 比较当前常用的防渗方法，结合八一水库的因素，介绍了塑性混凝土防渗墙在八一水库防渗工程中应用。叙述了八一水库大坝防渗处理的施工方案及工艺。对坝基内部原有输水洞这一特殊的地下构筑物，采用了多设备组合施工的方法。施工过程中交叉施工和设备优化组合对提高工效具有实际意义。塑性混凝土防渗墙研究需要进一步加强。     

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。     

土石坝漫顶溃坝过程离心模型试验与数值模拟

利用溃坝离心模型试验系统,分别对3种不同坝高均质土石坝（最大坝高达32.0 m）及坝高为16.0 m的黏土心墙坝开展了漫顶溃坝试验研究,清楚地揭示了其溃决机理、溃口发展规律。结果发现,对于均质土石坝,随着坝高的增加,溃口的纵向下切与溃口边坡的失稳坍塌速度明显加快,溃口流量过程线更为陡峭,峰值流量增大,且峰值流量出现时间更早,溃坝历时更短;黏土心墙坝与均质坝溃决机理与溃口发展规律明显不同,随着漫坝水流对下游坝壳冲蚀程度的增加,黏土心墙发生剪断破坏,溃口洪水流量迅速增大。基于上述试验结果,分别提出了描述均质土石坝和黏土心墙坝溃坝过程和计算溃坝洪水流量过程的数学模型,并建议了相应的数值计算方法。数值模拟与试验结果的对比证明了建议溃坝数学模型的合理性。     

超高心墙坝非稳定渗流三维有限元分析

水库蓄水和放空过程对土石坝渗流安全产生重要影响,300 m级超高心墙坝渗控方案是筑坝关键技术难题之一。结合300 m级砾石土心墙堆石坝工程,通过建立整体三维有限元模型,模拟大坝运行过程中水库蓄水和放空过程,分析库水位变化条件下心墙等区域的浸润面和渗透坡降变化,研究水位变化速率对坝体渗透稳定性的影响。数值模拟结果表明,蓄水时随着库水位的升高,自由面在心墙内形成陡降并自上游侧向下游侧不断发展。蓄水历时越短、水位上升速率越快,心墙内形成的浸润面越陡。放空时随着库水位的下降,心墙内水位下降有所滞后,自由面在心墙内形成凸形面。放空历时越短、水位下降速率越快,心墙内形成的凸形浸润面落差越大。     

土石坝沥青混凝土心墙三轴力学特性研究

在三峡水利枢纽茅坪溪土石坝沥青混凝土心墙材料大量的三轴试验成果的基础上，对沥青混凝土的应力-应变特性关系及其力学特性进行研究。由试验结果可知，沥青混凝土的应力-应变关系曲线是由应变硬化和软化2个阶段组成的，为有驼峰的曲线。在剪切过程中，既有剪缩又有剪胀。另外，沥青混凝土的破坏准则也并非符合莫尔-库仑破坏准则。抗剪强度包络线随着侧压力的增加而呈非线形变化，在高罔压作用下，强度包络线向下弯曲。基于以上原因，提出用南水非线性模型来描述沥青混凝土材料的应力-应变特性关系，并将其与邓肯-张模型进行对比。从对比结果可以看出，南水非线性模型能更好地描述沥青混凝土的力学特性。     

汶川地震溃坝险情土石坝烈度分布及震害特征

通过对汶川地震中69座溃坝险情土石坝所处烈度区及其实际震害情况的调查、统计和分析,研究了土石坝震害类型、破坏程度与所在烈度之间的关系,认为汶川地震中土石坝震害随烈度变化的规律性显著。分析表明,Ⅵ度以下烈度区土石坝没有溃坝险情发生。在Ⅵ度至Ⅸ度烈度区,随着烈度等级的增加,震害种类及其震损程度随之增加,在不同烈度区影响坝体安全的震害的种类不同。坝体裂缝是溃坝险情土石坝最普遍的震害形式,坝体贯穿性横向裂缝多见于Ⅸ度烈度区,溃坝险情土石坝在Ⅵ,Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ度烈度区内表现出的震害类型和危险程度有所差别。认为在土石坝抗震设计和应急救援中应认识到这些震害特点以减少震后由于溃坝造成次生灾害的发生。     

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。