Stability assessment of the Three-Gorges Dam foundation, China, using physical and numerical modeling—Part I: physical model tests

Foundation stability is one of the most important factors influencing the safety of a concrete dam and has been one of the key technical problems in the design of the Three-Gorges Project. The major difficulties lie in two facts. The first one is that the dam foundation consists of rock blocks, with joints and so-called ‘rock bridges’ and the gently dipping joints play a critical role in the foundation stability against sliding. The second one is that, even in the regions where the gently dipping fractures are most developed, there are no through-going sliding paths in the rock mass due to the existence of the rock bridges; so the dam could slide only if some of the rock bridges fail, so as to create at least one through-going sliding path. To date, due to unavoidable shortcomings in physical and numerical modeling techniques, there is not a single satisfactory method to solve the problem completely. For this reason, the integration of multiple methods was adopted in this study and proved to be an effective and reliable approach.This Part I paper describes work based on the results of geological investigations and mechanical tests, relating to the geological and geomechanical models of the Three-Gorges Dam, and then a systematic study procedure was developed to carry out the stability assessment project. Then, 2D and 3D physical model tests for some critical dam sections were performed. In the physical tests, based on similarity theory, various testing materials were selected to simulate the rock, concrete, fracture and rock bridge. The loading and boundary conditions were also modeled to meet the similarity requirements. The failure mechanism was derived through a progressive overloading that simulated the upstream hydrostatic pressure applied to the dam, and the factor of safety was defined as the ratio between the maximum external load inducing the start of sliding instability of the dam foundation and the upstream hydrostatic load. The experimental results indicated that the stability of the Three-Gorges Dam foundation satisfies the safety requirements. Nevertheless, further discussions demonstrated that because of the incomplete definition of factor of safety adopted in the physical model tests, it is also essential to study the stability of the Three-Gorges Dam foundation using numerical modeling, which will be presented in the companion Part II paper.     

拱坝沿建基面上滑溃决的可变形离散元仿真

三维可变形离散元是模拟不连续介质力学行为的有效数值分析方法,由于其采用显式有限差分方法以及自动进行离散缝面的接触检测,适合于求解弹塑性、大变形和动力问题。本文首先介绍了三维可变形离散元的基本原理及特点,然后对1981年梅花拱坝的溃坝过程进行仿真研究。通过分析得知,梅花拱坝由于周边缝施工设计不当,沿周边缝抗剪强度过小,导致蓄水后坝肩推力促使坝体沿周边缝发生整体上滑,拱坝失去支撑最终坝体断裂并溃决。     

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。     

金沙江鲁地拉水电站混凝土重力坝地震抗滑稳定性的时程法分析

通过动力有限元时程法分析了金沙江鲁地拉水电站碾压混凝土重力坝在设计地震动作用下的动态响应,计算模型考虑了大坝–库水相互作用、大坝–岩基相互作用,用黏弹性吸波边界模拟了地震动能量向无限远域逸散的地基"辐射阻尼"效应。利用质点系"达朗贝尔原理"计算得到了坝体地震惯性力时程,通过将坝体惯性力时程极大值与振型分解反应谱法的惯性力计算值对比,验证了复杂地震动力数值计算结果的正确性。在坝体惯性力时程基础上叠加其它静力荷载,计算得到了大坝沿建基面的瞬态抗滑安全系数时程。计算结果表明:鲁地拉重力坝在设计地震动(0.36g)作用下的安全系数时程的极小值大于规范规定值,大坝整体抗震稳定性良好,不必采取提高整体抗滑稳定性的工程加固措施。作为典型重大工程实例研究,采用的动力计算方法对类似大坝工程的抗震计算具有参考意义。     

白鹤滩水电站拱坝及坝肩加固效果分析及整体 安全度评价

 白鹤滩水电站拱坝左侧坝肩断层及层间、层内错动带发育,拱推力作用下易发生剪切变形。坝基柱状节理层发育,变形模量等力学指标相对较低,表现出显著的各向异性力学特性。由于以上地质缺陷的影响,设计采取沿拱推力方向设置抗剪洞及扩挖坝基处柱状节理层岩体设置垫座的工程处理措施,以期对坝肩、坝基岩体的抗剪、传力等进行改善。采用三维非线性数值分析方法,根据实际地质信息建立三维数值模型,模拟白鹤滩中坝址主要地质现象及相关工程措施,通过坝肩、坝基岩体及坝体的应力、位移对比,定量分析主要地质缺陷的影响以及工程处理措施的效果。采用超载法、强度折减法及点安全系数法评价下坝线拱坝的安全度,为该水电站坝线比选提供技术依据和科研成果支撑。     

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。     

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。     

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。     

锦屏高拱坝整体安全度评估

锦屏高拱坝是目前世界上拟建的最高的双曲薄拱坝,水压力巨大,其设计和分析都超出现行规范。锦屏一级拱坝的环境条件存在明显的不对称特点：一是两岸地形不对称;二是两岸地质条件明显不对称;三是坝体的坝面受日照时间不对称。这些不对称性和高水压使锦屏高拱坝的安全性成为锦屏拱坝建设中最重要的关键技术问题之一。运用三维非线性有限元数值分析方法,研究锦屏拱坝在多种工况下的应力场和位移场以及左、右岸不利地质构造对拱坝工作性态的影响。坝体的应力和位移分布存在比较明显的左右不对称,引起不对称的原因除两岸地基刚度不对称外,拱坝坝体的不对称也是重要原因,因此应进一步优化拱坝体型。确定锦屏拱坝地基系统在不同破坏模式下的整体安全度：上游水压力超载引起系统失效的整体安全度约为5.0;坝基岩体抗剪强度降低使系统失效的整体安全度约为3.0;地震灾害引起系统失效的整体安全度约为6.0。根据屈服破坏区的分布,指出坝基加固处理的重点部位为左拱端下游侧1 800 m高程以上和右拱端上游侧1 630～1 800 m高程之间。     

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.     

随机节理岩体变形与强度参数及其尺寸效应的数值模拟研究

节理岩体力学参数及其尺寸效应一直以来都是岩体研究的热点和难点,但对于基于结构面网络模型进行数值模拟的研究尚未见报道。笔者以小湾坝基卸荷岩体为例,在对现场节理进行大量统计的基础上,分析出节理特征值的分布函数,再运用蒙特卡罗方法建立了其结构面网络模型。在此基础上,利用编制的接口程序和现有的FLAC3D岩土分析软件,实现了对随机节理结构面网络模型的不连续位移数值模拟。模拟结果表明:小湾坝基卸荷岩体变形模量与岩体尺寸的关系服从负指数分布,而强度参数与岩体尺寸的关系基本服从负幂函数分布,其结果与现场斜面载荷试验及经验评估参数结果较为接近。     

马家岩水库坝基软弱夹层剪切特征及强度

对坝基存在软弱夹层的重力坝，控制其抗滑稳定性的主要因綮是夹层的抗剪强度，如何使提供的抗剪强度参数既保证大坝安全又经济合理是地质和试验工作的关键。分析了马家岩水库坝基软弱夹层的物质组成、矿物成分、结构类型、成因、剪切应力．应变特征，论证了塑性破坏类型软弱夹层抗剪强度参数取值的原则，提出了本工程坝基软弱夹层抗剪强度的地质建议值。     

不平衡推力法的弹塑性有限元改进

结合杭金衢高速公路K111碎石土滑坡工程实例,研究如何使极限平衡法与有限元法有机结合应用于边坡稳定性计算和分析中,以及碎石土边坡稳定性系数与滑动面抗剪强度发挥程度的关系。研究结果表明,可以采用弹塑性有限元边坡稳定性极限分析法,得到边坡接近破坏状态时滑坡体的塑性变形破坏区,然后据此确定边坡的滑动面;通过野外工程地质勘探揭示,该法确定的潜在滑动面与实际滑动面基本相符;可根据极限状态下塑性应变值的大小确定滑面带上不同抗剪强度取值段,采用全面考虑滑面上岩土体抗剪强度不同发挥程度的不平衡推力法计算碎石土边坡的稳定性系数;采用该方法进行碎石土边坡稳定性分析能更加真实地反映边坡所处的实际状态。     

三峡工程左岸厂房坝段深层抗滑稳定的物理模拟

通过建立三峡工程左岸厂房坝段坝基的地质概化模型，采用物理模拟方法对其深层抗滑稳定性问题进行了系统研究，获得了典型坝段的滑动破坏机理与稳定安全系数。在此基础上，对坝基在处理措施进行了讨论，从而为该坝段的深层抗滑稳定性安全评价与基础另固处理设计提供了有重要参考价值的科研依据。     

高拱坝基础大垫座及周边缝设置研究

 提出高拱坝基础承载力对建基面的要求,讨论坝肩与河床基础大垫座及周边缝的工作机制、大垫座及周边缝设置的非线性分析特点以及其与高坝整体稳定的关系。指出大垫座设置对基础刚度的对称性、大坝整体稳定性有显著提高的效应。结合高拱坝(英古里、李家峡拱坝和锦屏I级拱坝)实例,详细讨论高拱坝在基础设置垫座后的安全度及坝踵、坝址应力分布优化情况。拱坝所提出的问题对我国目前的高拱坝建设具有指导意义。     

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。     

Post-earthquake fire and seismic performance of welded steel-concrete composite beam-to-column joints

The performance of steel-concrete composite full strength joints endowed with concrete filled tubes, designed with a multi-objective methodology dealing with seismic actions followed by fire is presented in this paper. In detail, instead of a traditional single-objective design where fire safety and seismic safety are independently achieved and the sequence of seismic and fire loading are not taken into account, the proposed design approach guarantees: (i) both seismic safety and fire safety with regard to accidental actions; (ii) fire safety for at least 15 min fire exposure on a joint characterised by stiffness deterioration and strength degradation due to seismic loading.In order to achieve the multi-objective design, full strength beam-to-composite tubular column joints were designed by means of the component method of Eurocode 4 Part 1-1 and Eurocode 3 Part 1-8, while Eurocode 4 Part 1-2 was considered for fire design. Moreover, to face a seismic-induced fire, they were enhanced with specific joint components which will be detailed.Both the experimental programme and the results provided by seismic tests, pre-damaged tests and fire tests carried out on beam-to-column joints are presented and discussed. The results demonstrate their adequacy in terms of design and performance. Moreover, non-linear numerical simulations clearly show that these joints can be deemed adequate for moment resisting frames of medium ductility class characterised by a behaviour factor of about 4.     

土石坝坝坡稳定分析浅议

土坝稳定分析的目的是保证土坝在自重、渗漏压力、孔隙压力和其他外荷载的作用下,具有足够的稳定,不致发生通过坝体或坝基接触面的整体剪切破坏。本文详细论述求解土石坝坝坡稳定过程,明确坝坡抗滑稳定求解的意义和目的。     

坝底水浮力对重力坝稳定性的影响分析

 着重研究一个典型的混凝土重力坝的坝底水浮力对大坝稳定性的影响,此大坝位于意大利的Cumbidanovu岛。大坝的基础由含有高度开裂的岩石所构成。首先,通过把大坝视为自由体的平衡分析法来评价大坝破坏前的最大水压力和有效排水系统对大坝稳定性的影响。然后,使用离散元方法来进一步评价开裂基岩中的水流状态,得到该水流产生的浮托力的分布,最终得到此水浮力对大坝稳定性的影响。对设计而言,上述分析考虑了岩基渗透,运用离散元方法进行模拟。研究结果表面,相比保守的平衡分析法,此模型可以得到更大的水浮力荷载。     

Long-term behavior and safety assessment of Sance Rockfill Dam

Safety assessment of the 62 m high Sance Rockfill Dam based on long-term monitoring results and their simulation by numerical models is presented in the paper. Unexpectedly large settlements and horizontal movements of the crest together with the steep downstream slope questioned the safety of the dam. Calibrated 2D and 3D models fitting the monitoring results were applied for the safety assessment of the dam including slope stability analysis and estimation of the clay core cracking and hydraulic fracturing hazard. The modeling results contributed to the rehabilitation concept and project of the dam.