考虑流固耦合作用的高土石坝动力分析

在土石坝施工、蓄水和遭遇地震时,流固耦合作用对土石坝的静动力响应有重要影响,应在计算分析中有所考虑。以糯扎渡高心墙堆石坝为例,选用莫尔–库仑弹塑性模型来描述坝料的力学性质,并采用流固耦合的方法对该坝进行了静动力分析。静力分析中模拟了大坝施工和蓄水过程,然后基于静力分析得到的初始应力场,采用完全耦合的非线性方法研究了大坝的地震动力响应。该分析方法能够更为合理准确地描述土石坝在地震动作用下残余变形的发展及超静孔压的累积和消散过程。计算结果表明:超静孔隙水压力随地震过程逐渐累积,最大值出现在心墙的底部;由于鞭梢效应,加速度放大系数在坝顶处达到最大;水平和竖直方向的永久变形同样都是在坝顶处达到最大值。     

高土石坝地震反应和破坏机理分析

应用动力弹塑性分析方法对高土石坝的地震反应特性和破坏机理进行了系统研究。通过研究地震动作用下坝体的剪应变、永久位移以及网格变形的变化规律,并与振动台模型试验的结果进行对比,说明了坝体上部1/5范围内变形较大,竖向地震动对坝坡稳定性影响明显,验证了FLAC程序模拟高土石坝地震反应的合理性;同时分析了坝高、坝坡和地震动峰值参数变化对大坝破坏形态的影响,研究结果为大坝的设计、安全评价和抗震措施研究提供理论基础。     

高心墙堆石坝坝坡加筋抗震稳定分析

目前强震区高土石坝抗震设计普遍采用加筋技术加固坝顶堆石,但加筋的效果如何评价是工程设计者关心的重要问题。传统的基于极限平衡的拟静力法无法反映坝体的动力特性及地震输入特性,得到的安全系数也不反映加筋坝体抗震的安全度。采用改进的Newmark滑块位移法对加筋堆石改善高坝坝坡的抗震稳定性,限制高土石坝地震变形等的工程效果进行了研究和探讨。计算中,首先依据堆石体和加筋堆石体的应力应变关系曲线得筋材与堆石的协调极限应变,进而确定筋材所能发挥的极限抗拉强度,利用瑞典-荷兰法结合蚁群复合形法搜索堆石加筋复合体潜在滑动体的位置,考虑竖向地震以及筋材与堆石的相互作用对滑动体屈服加速度的影响,改进了Newmark滑块位移法。结果表明,加筋减少地震变形最高可达80%,可有效地限制高土石坝坝顶的侧向滑动变形,提高坝体的抗震稳定性。     

随机地震作用下地基及土石坝永久变形分析

地基及土石坝在地震作用下的永久变形分析方法可分为确定性分析和随机性分析两大类。本文基于等价结点力模型，将地震地面运动模拟为平稳高斯过滤白噪声过程，通过随机地震反应分析，建立了一种地基及土石坝在随机地震作用下的永久变形分析和永久变形危险性分析方法。该法不仅能预测永久变形的平均幅值，而且能给出不同控制变形的破坏概率。本文最后对瀑布沟土石坝进行了数值分析，并给出相关结论。     

随机地震作用下地基及土石坝永久变形分析

地基及土石坝在地震作用下的永久变形分析方法可分为确定性分析和随机性分析两大类。本文基于等价结点力模型，将地震地面运动模拟为平稳高斯过滤白噪声过程，通过随机地震反应分析，建立了一种地基及土石坝在随机地震作用下的永久变形分析和永久变形危险性分析方法。该法不仅能预测永久变形的平均幅值，而且能给出不同控制变形的破坏概率。本文最后对瀑布沟土石坝进行了数值分析，并给出相关结论。     

特高面板砂砾石坝结构安全性论证

基于试验研究与数值计算分析,对新疆大石峡250 m级特高面板砂砾石坝结构安全性进行了论证。结果表明:压实后的砂砾石料有较高的变形模量、较小的流变和地震残余变形,大坝运行期坝体最大沉降仅为最大坝高的0.64%;设计地震用下坝体最大震陷量仅为最大坝高的0.40%;静、动力荷载作用下,面板周边缝的沉陷和张拉值均未超过国内外已建工程的最大实测值,周边缝的剪切位移虽然比国内外已建工程的最大实测值大,但中国在混凝土面板接缝止水结构与材料方面的技术储备已经能够满足其要求。因此,与相同高度的面板堆石坝相比,面板砂砾石坝变形安全控制的难度较小。需要指出的是,250 m级特高砂砾石坝的防渗面板在静、动力荷载作用下的轴向和顺坡向拉、压应力极值较高,有必要在面板周边缝和压性垂直缝两侧一定范围配置加强钢筋。     

考虑堆石料空间变异性的土石坝地震反应随机有限元分析

探讨了一种将随机场模拟技术与有限元方法相结合的随机有限元法在土石坝地震反应分析中的应用途径。采用局部平均细分法模拟堆石料物理力学性质随机场,使得能够考虑堆石料的空间变异性。提出尽量利用建立材料物理性质与力学性质关系的计算模型,以降低获取材料力学性质统计特性信息的成本。以一实际工程为例,采用该随机有限元法计算了堆石料的干密度、孔隙比、不均匀系数、平均粒径、Duncan–Chang E–B模型模量系数以及初始摩擦角具有不确定性时土石坝的随机地震响应及永久变形。结果表明:筑坝堆石料的不确定性会使大坝响应及永久变形发生一定程度的离散;忽略材料的不确定性可能导致低估大坝的地震反应;表征大坝地震反应的各性能指标并不一定都符合正态或对数正态分布。     

循环-间歇加载下粉土永久变形特性试验

真实地揭示路基填料在交通荷载作用下的永久变形特性可为路基设计和评估提供依据。利用动三轴仪,对粉土开展了连续循环加载和间歇加载(连续加载阶段与间歇阶段交替循环)动三轴试验。分析了间歇阶段对粉土的轴向应变和累积塑性应变等发展规律的影响,并重点研究了间歇加载方式下粉土的累积塑性应变行为特征。试验结果表明,间歇阶段的存在对提高试样抵抗永久变形的能力有积极作用,动三轴试验中应考虑荷载间歇阶段的影响。依据安定理论,间歇加载方式下,粉土的动力行为可划分为三类:塑性安定、塑性蠕变和增量破坏,并提出了间歇加载方式下粉土试样临界应力的表达式和累积塑性应变预测模型。研究结果对深刻认识路基的永久变形特性具有参考价值。     

土石坝坝体填筑施工方法探讨

坝体大多是用来挡水的建筑物。筑坝技术发展至今,出现了许多新的筑坝材料与方式,但土石坝以其建筑方式简单、节省材料、能够就地取材、防水效果好等优点而被一直沿用。本文对土石坝坝体填筑施工方法进行了分析。     

循环荷载饱和风积土累积塑性变形模型

为了研究在不同初始静偏应力、动应力和围压作用下累积塑性应变变化规律,采用GDS三轴试验系统对饱和风积土进行不排水动三轴试验;并结合现有饱和土体累积塑性变形模型和疲劳损伤模型理论,建立一种新的循环荷载饱和风积土累积塑性变形预测模型;通过与试验数据进行对比,验证了所建立模型的正确性,进而揭示饱和风积土在循环荷载作用下的疲劳损伤和损伤与累积塑性应变之间的变化规律。结果表明:在相同动力幅值作用下,累积塑性应变随着静偏应力增大而增大,其应变增长速率也越大;同时,曲线变形趋于稳定时对应的循环次数也越大。模型曲线与试验数据具有良好的吻合度,证明了该模型可更好地分析在循环荷载作用下土样的动力特性,也可进一步分析土样的损伤演化规律和疲劳损伤变化规律,为路基土的动力灾害治理提供理论依据。     

高面板堆石坝抗震安全评价标准与极限抗震能力研究

针对强震区高面板堆石坝的特点,提出了基于稳定、变形、面板防渗体系安全的高面板坝抗震安全评价和极限抗震能力分析方法,并建议了坝坡抗震稳定、坝体局部动力稳定、坝体地震残余变形、面板防渗体系的抗震安全评价标准。对坝高超过250 m的某高面板堆石坝进行了极限抗震能力分析,根据坝坡稳定性、地震残余变形、单元抗震安全性、面板防渗体系抗震安全性等多角度的评价结果,初步认为,该高面板堆石坝的极限抗震能力为0.50g~0.55g。     

300 m级高土石心墙坝流变特性研究

300 m级高土石心墙坝的流变特性对预判坝体竣工后长期变形及沉降具有重要的意义,对于研究防渗心墙能否适应坝体长期变形并正常工作亦至关重要。依托314 m高的双江口土石心墙坝工程,使用大型高压三轴仪对上、下游堆石料进行了流变特性试验研究,研究表明当最终的应力状态一致时,堆石料的流变按照分级加载和按照单级加载得到的流变曲线随着时间的发展差异性逐渐减小,最后基本趋于一致。在试验基础上,依据流变经验模型,得出了流变分析参数,并采用三维有限元法分析了300 m级土石心墙坝的流变特征。数值分析表明流变速率对坝体工后沉降幅度影响显著,由于试验中的流变速率较之现场坝料的实际流变情况明显偏快,因此流变速率的确定还有必要依据已建工程的反分析进行修正。     

强震区高混凝土面板堆石坝地震残余变形与动力稳定分析

采用三维非线性动力有限元分析方法,针对西部强震区的积石峡水电站工程的高混凝土面板堆石坝,在地震反应分析基础上,应用所建立的分析方法,重点研究了该坝的地震残余变形、坝体单元抗震安全性、面板及坝坡的抗震稳定性,得出了大坝地震残余变形和动力稳定的有关规律和结论,可供工程建设参考。     

面板堆石坝性状的初步统计分析

在很多情况下面板堆石坝已经成为优选坝型,但其设计很大程度上仍然依赖于工程经验。目前很少有文献基于大量工程实例数据对面板堆石坝的性状展开研究。收集和统计过去50 a已建的87个面板堆石坝的建设信息和性状监测记录,从统计学的角度分析面板坝性状特征。基于工程实测数据对填筑完工后坝顶沉降、面板挠度和应力、竣工时坝体最大沉降进行统计分析和规律总结。重点讨论了堆石母岩饱和状态抗压强度、地基特性、河谷形状和渗流对大坝性状的影响。结果可以进一步加强对面板堆石坝性状的深入理解,同时为面板堆石坝的设计、施工和运行管理提供指导和参考。     

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。     

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。     

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。     

汶川地震中紫坪铺面板堆石坝永久应变反演分析

紫坪铺大坝是世界上第一个遭受强震的百米以上面板堆石坝,在“5.12”汶川地震中有明显的局部损伤。采用有限元数据平滑方法,对大坝位移监测数据进行处理,得到了坝体典型剖面的永久应变。分析了大坝在地震中沉降和堆石料剪胀变形发生的部位和原因,表明坝体最大震陷率发生在2/3坝高附近;大坝发生剪胀的范围为坝顶区域和从坝顶往下25～30 m的上下游坝坡附近;永久剪应变过大是造成面板水平施工缝错台的直接原因。     

统一考虑加载变形与流变的粗粒土弹塑性本构模型及应用

实测资料表明,现行粗粒土本构模型明显低估高度200m以上特高土石坝的沉降量,主要原因之一是现行本构模型普遍割裂加载变形与流变,计算时忽略施工过程中坝料产生的流变。在总结分析典型粗颗粒土石料流变特性的基础上,以应力、应变和时间为基本变量,提出了一个可以统一模拟粗粒土加载变形、流变、应力松弛等性质的弹塑性本构模型。模型假定加载塑性变形和流变可同时发生,应力和时间变化均会引起屈服面扩张,从而产生塑性变形,但两者服从不同的塑性流动准则。运用某特高心墙堆石坝坝壳堆石料和砾石土心墙料的试验结果对模型的合理性进行了验证,并对该大坝填筑施工过程进行了模拟。计算结果表明,忽略坝料施工期流变可使大坝竣工期沉降量低估10%以上。因此,采用统一模拟粗粒土加载变形与流变的本构模型可有效提高特高土石坝变形的预测精度。