小湾拱坝坝体裂缝对拱坝受力和稳定的影响研究

 通过三维非线性有限元计算和地质力学模型试验方法,分析无缝和有缝处理2种工况下,裂缝对小湾拱坝坝体应力分布、整体稳定性的影响以及裂缝进一步扩展的可能性。计算结果表明,2种工况的坝体应力分布基本相同,裂缝对坝体应力的分布影响不大。正常荷载下,裂缝基本全部处于压剪状态,不存在或存在很小的拉应力;裂缝继续开裂扩展的可能性不大。在超载工况下,有缝处理工况下非线性荷载为(3.2～3.3)P0(P0为正常水荷载),与无缝工况下的3.5P0接近;超载3.0P0之后,大坝裂缝局部地方出现开裂区,但整体上直到5.0P0后裂缝才影响到开裂区。大坝极限开裂状态与无缝情况下类似,有缝处理和无缝情况的整体稳定性相差不大。     

特高拱坝基坑回填土石体与大坝作用机制研究

开展拱坝基坑回填土石体与大坝作用机制研究,对确保水库初期蓄水和运行安全具有重要意义。基于小湾、白鹤滩和乌东德等特高拱坝的上游基坑回填设计、施工和监测成果,提出回填土石体与大坝作用机制模型;结合理论和仿真方法,从坝基渗流场分布、坝体接触面热交换状态与坝体–基础整体工作性态3个方面,揭示了特高拱坝基坑回填土石体与大坝的作用机制。分析表明:(1)回填补强基岩,延长坝基渗流路径,具有渗流折减效应,回填高度与回填体等效渗透系数是影响折减系数的主要因素;(2)回填土石体可增强坝面保温效应,有利于温控防裂;(3)回填可提高大坝抗震性能,改善坝–基整体工作性态。建议的特高拱坝坝前基坑回填设计原则及工作流程图,可供国内外同类工程设计、施工借鉴。     

高土质心墙坝坝顶裂缝模拟方法及应用

土质心墙坝坝顶裂缝是目前高土石坝建设及运行中常遇到的病险,其发生和发展大大增加了工程的安全风险。基于扩展有限元的位移模式提出了坝顶裂缝的模拟方法并将其运用到瀑布沟土心墙坝坝顶裂缝模拟中。首先介绍了坝顶裂缝模拟方法的基本原理,其后采用神经网络遗传算法对瀑布沟心墙坝典型监测点监测数据进行了反演,采用反演得到的模型参数同时考虑筑坝料湿化、流变及固结,进行了瀑布沟心墙坝坝顶裂缝模拟。结果表明:采用反演参数计算得到的坝体变形与监测资料较为吻合;蓄水后坝体最大沉降3.27m,向上游最大水平位移1.17m,上游堆石料湿化沉降最大达0.48m,上游坝壳的湿化变形作用导致了坝顶上下游的不均匀变形;模拟得到的坝顶裂缝首次发生在满蓄后,距离坝轴线4.75 m位置处,1个月内裂缝扩展至1.75 m深度(坝顶填土内,未扩展至心墙),运行10 a间坝顶裂缝未发生实质性发展;此外,不考虑上游坝壳湿化时坝顶未有裂缝产生,考虑湿化而不考虑流变时坝顶裂缝扩展深度最大为1.25 m,最大张开宽度为2.7 cm。相关成果可为类似特高土心墙坝工程预防坝顶裂缝的发生提供相关参照。     

溪洛渡拱坝谷幅变形机制及变形反演和长期稳定性分析

溪洛渡拱坝在蓄水后出现持续的谷幅收缩变形,且目前谷幅变形仍未收敛,对拱坝局部附属结构稳定和整体稳定有较大的影响。通过分析溪洛渡拱坝坝址区的地质条件、蓄水后监测资料变化,阐释溪洛渡拱坝谷幅变形机制,其层间、层内错动带的渗透作用和倾角走向,在谷幅收缩变形中起到了控制作用。通过考虑孔隙水压力对应力球张量和屈服面的影响,提出考虑孔隙水压力影响的弹–黏弹–黏塑非线性蠕变模型,对溪洛渡初期蓄水后变形和稳定进行了非线性有限元分析。根据蓄水初期谷幅变形的监测资料,反演岩体蠕变力学参数,预测蓄水后及长期谷幅收缩变形趋势及对坝体的影响。经过反演分析,正常蓄水位下数值计算结果与监测值吻合良好,提出的模型能较好的反映谷幅变形过程。蓄水10 a后,边坡变形趋于收敛,但整体变形量值较大,且对左右拱端的挤压显著,需要引起关注。     

复杂地质条件下拱坝坝肩稳定分析及密集节理影响研究

针对小湾拱坝左、右岸坝肩抗力体内存在的地质缺陷,采用超载方法,对小湾拱坝1 210 m高程进行坝肩稳定平面地质力学模型试验.试验重点模拟主要断层、蚀变带、软岩带以及坝肩SN,EW向2组主要节理;得出坝体位移、应变,坝肩位移、破坏过程、破坏形态和超载安全系数,对坝肩稳定性进行评价.由于地质力学模型缩尺后无法模拟坝肩岩体中的密集节理,为了探讨密集节理对坝肩稳定的影响,采用非线性有限元对考虑和不考虑密集节理2种情况进行计算分析,通过对比计算结果得出,密集节理对坝体、坝肩位移的影响为-8%～10%、对超载安全系数的影响约为-9%,说明密集节理对小湾拱坝1 210 m高程坝肩稳定的影响程度不大,试验成果是可靠的.     

白鹤滩拱坝基础垫座方案优化研究

白鹤滩高拱坝地基地质条件复杂,需要设计大范围的垫座以改善受力条件。目前关于拱坝地基和坝肩处理措施的研究大多依赖工程经验,尚没有完整、可靠的垫座评价准则。提出拱坝垫座设计的综合优化方法,通过分析垫座对坝体的影响及垫座自身的稳定性,找到最优的设计方案。该方法综合坝体位移、应力、屈服区、抗滑安全度等因素,采用不平衡力分析坝踵开裂,采用塑性余能范数(PCE)评价垫座整体稳定。不平衡力是结构局部失稳后的度量,能够有效地预测裂纹扩展部位和方向。余能范数是不平衡力的标量范数,可用于判断结构的整体稳定性。对比4种垫座设计方案,通过对坝体位移、坝踵开裂、垫座整体稳定和抗滑安全度的分析,确定将垫座视为坝体、垫座上游侧设缝为白鹤滩拱坝垫座的最优设计方案。     

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。     

大坝整体稳定分析系统

提出一个大坝稳定分析系统，该系统包括大坝坝基岩体参数预测、坝基岩体的断裂损伤力学模型、大坝基岩的模拟、大坝结构模拟和大坝整体稳定安全度评价。以小湾拱坝为实例，论述了小湾拱坝的整体稳定性。     

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。     

大岗山双曲拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究

针对大岗山双曲拱坝的工程地质问题,采用三维地质力学模型试验技术,研究坝体和坝肩从加荷到破坏的整个过程和机制.试验过程模拟大坝基础的不连续岩体条件、岩体力学特性和整体双曲拱坝.试验考虑拱坝上游超载情况,同时还模拟两坝肩岩体中软弱结构面强度弱化的影响,为此研制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强度储备与超载相结合的综合法试验.试验结果给出拱坝在正常蓄水位和降强之后超载作用下的位移场,获得坝体和坝肩的变形及分布特征、内部断层典型测点的相对位移,揭示拱坝坝体和坝基失稳前后裂缝发展的全过程及其破坏机制.得到强度储备系数为1.25,超载系数为4.0～4.5,确定拱坝坝肩坝基整体稳定安全度为5.0～5.6.对试验数据的综合分析,可以评价边坡的稳定性,并针对坝肩的薄弱环节提出加固处理措施建议.     

混凝土拱坝温控的动态分析理论与实践

 温控防裂是混凝土高拱坝的关键技术问题和难题之一。以小湾超高拱坝为背景,从混凝土材料、理论方法、施工及工程措施等方面系统地研究与温控防裂有关的核心技术问题,制定温度场仿真分析的合理、可行、科学的技术路线,建立拱坝温控的动态跟踪仿真反馈分析系统及信息化动态设计方法,提出抗裂安全度取值建议、合理的温控设计方案,实现拱坝施工期全过程仿真反馈分析及温控措施的动态优化设计。实践表明,该研究成果对指导小湾拱坝的设计、施工具有十分重要的理论意义和现实意义。     

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。     

采用滑动测微计监测坝基岩体卸荷变形

介绍了瑞士高精度滑动测微计监测沿钻孔中应变分布的原理和方法;采用滑动测微计成功监测了小湾坝基开挖及混凝土压重状态下的岩体卸荷变形,探测卸荷裂隙分布和张开位移量,定量分析了坝基卸荷岩体变形发展规律,为评价坝基岩体质量和调整坝基岩体力学参数提供了依据,可供类似工程参考。     

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。     

基于工程体–地质体相互作用的接触面变形 破坏研究

 针对工程体与地质体的相互作用机制,研究工程体和地质体之间不规则接触面的性质和表征方法;提出立方体覆盖的新方法来直接测量表面分维,提高了测量精度。利用光贴片试验研究不同接触形态地质体与工程体共同作用的界面效应(界面的变形、破坏和滑移规律)。开发了具有非均匀性和分形特性的接触面单元,建立了具有接触面特性的两体(工程体与地质体)力学模型。研究碾压混凝土坝和岩基两体相互作用的破坏模式和影响因素,以客观评价大坝整体的稳定性问题。应用断裂力学研究碾压混凝土坝和坝基两体相互作用时不规则坝踵裂缝扩展的稳定性,获得了裂缝扩展的临界长度和荷载,研究结果表明：两体接触面的粗糙性阻碍了裂缝的扩展。     

基于工程类比的小湾拱坝安全评价

 将工程类比法推广到拱坝极限承载力的研究,对于小湾拱坝等超高拱坝,由于其条件复杂,工程规模巨大,简单按照规范设计是不够的,应该以已建工程为对比对象,通过类比研究确定合理的安全标准。基于相同网格尺寸、相同材料模型以及相同计算软件,以已建工程二滩和Kolnbrein加固前后作为类比研究对象,对小湾拱坝的坝踵开裂及极限承载力进行研究。以超大规模精细有限元模型精确模拟坝体的底缝和地基的地形、断层、蚀变带加固措施以及建基面卸荷带,以全面评估地质条件对极限承载力的影响。分析结果表明：小湾拱坝极限承载能力要明显强于Kolnbrein加固前后,略逊于二滩。但正常工作条件下帷幕的安全裕度不大。