严寒地区胶凝砂砾石材料冻融仿真研究

胶凝砂砾石坝研究起步较晚,故其冻融作用下的理论研究较少。在前人研究基础上,借鉴混凝土冻融损伤机理及模型和试验结果,建立了胶凝砂砾石冻融损伤模型;基于混凝土非线性控制微分方程及非线性热学特性的温度场、应力场理论,编制了适用于胶凝砂砾石的流固耦合三维有限元冻融全过程仿真分析程序,并进行案例分析。结果表明,不同地区胶凝砂砾石的冻融(负温)深度与最低月均气温及低温持续时间有关,冻融使得胶凝砂砾石受冻区域的应力分布极为复杂,胶凝砂砾石坝开裂风险增大。     

考虑冻融损伤影响的胶凝砂砾石仿真分析

胶凝砂砾石材料是一种全新的环保型筑坝材料,关于其冻融问题的研究目前较少。根据水泥基材料的冻融损伤规律,按照等应变假设,建立基于动弹性模量的胶凝砂砾石冻融损伤度模型,并对已有冻融试验结果进行回归分析,确定系数在0.94以上。以三维温控数值分析方法为基础,融合冻融损伤度模型,实现胶凝砂砾石结构的三维冻融仿真分析。算例分析表明:在冻融循环作用下,胶凝砂砾石结构应力发展和分布规律非常复杂,在正负温交替期会产生应力拐点,拉应力由表及里逐渐减小,最大拉应力出现在结构表面,为0.38 MPa。     

轻质颗粒对胶凝砂砾石耐久性的影响

胶凝砂砾石坝具有水泥用量少、对骨料要求低、可就地取材等优点。由于胶凝砂砾石中的胶凝材料用量低的特点,其抗冻性及抗渗性较差。为使胶凝砂砾石筑坝技术在北方严寒地区进行推广,改善其抗冻性及抗渗性是非常重要的。本文研究了轻质颗粒对胶凝砂砾石耐久性的影响。试验结果表明,在胶凝砂砾石中掺入陶砂可明显改善其抗冻性和降低干燥收缩。此外,掺加轻质颗粒对胶凝砂砾石的抗渗性有一定的影响,但影响并不大。     

胶凝砂砾石坝基础设置问题研究

通过三角形重力坝和胶凝砂砾石的应力强度对比,结合守口堡水库胶凝砂砾石坝的设计和施工经验,对胶凝砂砾石坝的基础设置进行了探讨。与三角形重力坝相比较,梯形胶凝砂砾石坝基底应力水平比较低,对基础条件要求更灵活,使得坝高超过50m的大坝设置在弱风化层上部成为可能;高度较小的胶凝砂砾石坝设置在具有足够承载力的强分化层中、上部岩基上,甚至在砂卵石层上也成为可能。从守口堡胶凝砂砾石坝的施工经验来看,大坝基础垫层材料采用富浆胶凝砂砾石较常态混凝土有利,建议垫层骨料最大粒径不超过80mm;为提高层间结合能力,掌握好胶凝砂砾石的初凝时间,及时进行上层摊铺、碾压是很有必要的。     

胶凝砂砾石材料力学特性、耐久性及坝型综述

总结了胶凝砂砾石材料力学特性、胶凝砂砾石坝数值分析方法、坝体基本剖面设计原则,以及其在温度变化及冻融影响下的耐久性等,介绍了胶凝砂砾石材料本构模型研究、力学模型试验及坝体剖面设计研究主要成果。胶凝砂砾石材料受胶凝材料用量、含砂率、水胶比、骨料级配、围压及龄期等多种因素影响,国内外学者通过单轴或三轴试验取得的成果缺少系统性和相关性。只有在考虑各种影响因素的情况下,通过全面系统的拉、压试验和三轴剪切试验,才能真正了解胶凝砂砾石材料的力学特性及强度变化规律。     

胶凝砂砾石坝筑坝材料耐久性能研究及新型防护材料的研发

针对胶凝砂砾石坝体材料和新型保护层材料抗渗和抗冻性能展开了试验研究,其中抗冻测试中引入气冻和冰冻两种测试手段以表征胶凝砂砾石抵抗冻融和温度循环的能力.结果表明,未掺加外加剂的胶凝砂砾石180d龄期抗渗可达到W8,90d龄期抗冰冻不足25次冻融循环,气冻350次温度循环后相对动弹性模量仍约65%,抗气冻可到600次以上温度循环.掺加外加剂的胶凝砂砾石相应龄期的抗渗为W12,抗冰冻达75次冻融循环,气冻350次温度循环后相对动弹性模量仍有80%以上.因此建议胶凝砂砾石中采用外加剂,并以长龄期180d为设计龄期.新型保护层材料的研发试验表明,变态胶凝砂砾石、富浆胶凝砂砾石均具有良好的防渗(抗渗等级W10以上)和抗冻能力(F300次冻融循环),可作为胶凝砂砾石坝上、下游防渗抗冻保护层材料.     

胶凝砂砾石筑坝技术进展及西部高寒高海拔地区应用展望

胶凝砂砾石坝是近年来国际坝工界结合碾压混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝的优点发展起来的一种新坝型.本文首先阐述了胶凝砂砾石坝思想的起源与发展,然后从筑坝材料、应力分布和施工特性等方面对当前国内外典型胶凝砂砾石坝的技术特性进行了归纳总结,说明了胶凝砂砾石配合比设计、坝体设计和施工参数的关键点,以及当前胶凝砂砾石坝发展过程中存在的误区.将胶凝砂砾石坝首先在西部高寒高海拔河流上游中低坝工程中应用,然后加以推广是该坝型未来发展的主要努力方向.     

基于非线性损伤本构模型的胶凝砂砾石坝超载分析

为揭示胶凝砂砾石坝损伤机制,基于胶凝砂砾石力学特性和应变破坏准则建立其非线性损伤本构模型,编制了相应的程序,并采用室内试验验证了该模型的合理性。采用该模型对胶凝砂砾石坝进行超载数值模拟,研究其坝体应力、结构破坏过程,结果表明胶凝砂砾石坝在超载后坝踵、坝趾均存在破坏风险,其中坝踵开裂风险较大。基于损伤本构模型进行超载分析还可知,胶凝砂砾石坝破坏模式为坝体和坝基材料变形不协调,使得随着超载倍数增大,坝体、坝踵产生屈服损伤,并逐渐开裂,裂纹沿上游建基面向下游扩展,而线弹性模型模拟无法获得该规律,因此基于非线性损伤本构模型的胶凝砂砾石坝受力分析可预测结构的失效模式,为结构设计提供依据。     

胶凝砂砾石坝防渗措施及应力分析

由于胶凝砂砾石材料抗渗性能较差,采用其筑坝时需专门设计防渗措施进行坝体挡水。本文对胶凝砂砾石坝钢筋混凝土面板防渗措施,及新提出的高强度胶凝砂砾石面板和高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜两种新型防渗措施进行渗流分析、考虑渗流作用的应力分析。计算结果表明:钢筋混凝土面板防渗效果较好,高强度胶凝砂砾石面板防渗效果较差;钢筋混凝土面板主应力最大、坝趾应力集中较为明显,高强度胶凝砂砾石面板和高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜应力分布较为均匀。     

胶凝砂砾石坝剖面设计研究

结合胶凝砂砾石材料力学特性及坝体剖面设计理论,研究胶凝砂砾石坝的剖面形式及相应的控制标准。按土石坝设计理论:当胶凝砂砾石材料抗压强度低于3 MPa时,坝体剖面形式属于土石坝断面形式,应按土石坝设计理论进行设计;当材料抗压强度大于6 MPa时,坝体剖面形式属于重力坝断面形式,应按重力坝设计理论进行设计;抗压强度为3~6 MPa时,剖面设计既要考虑坝体整体稳定性、坝体应力状况,又要考虑坝坡的自身稳定及坝体局部抗剪强度。按重力坝设计理论:当胶凝砂砾石材料抗剪强度指标足够大时,需控制坝踵处不出现拉应力,最经济剖面为直角梯形;随着坝体抗剪强度指标的降低,最经济剖面逐步由直角梯形向对称梯形过渡,此时稳定安全系数和坝踵拉应力都需要控制;当胶凝砂砾石材料抗剪强度指标过低时,采用对称梯形剖面,此时坝体不会产生拉压力,需控制坝体整体稳定安全系数满足规范要求。     

高温炎热地区碾压混凝土重力坝温控防裂研究

大体积混凝土的温控防裂一直是水利水电工程建设中的关键技术问题。在高温炎热地区,碾压混凝土重力坝施工期温控防裂要求高、难度大,温控措施较常温和高寒地区有明显区别。依托高温炎热地区的海南新春水库碾压重力坝工程,采用有限元仿真模拟施工期典型坝段温度场和应力场分布规律,分析和确定影响温控防裂效果的敏感因素,并参考其他类似工程,提出了相应的施工期温控标准和温控措施。研究结果表明,在推荐的温控防裂措施下,新春水库重力坝施工期温度场和应力场满足要求。研究成果已实际应用于该水库碾压重力坝工程,对类似工程温控防裂具有参考价值。     

胶凝砂砾石坝简化施工温控措施研究

胶凝砂砾石坝作为一种新坝型,具有安全性高、经济环保、施工快速等优点,但仍有诸多问题需要解决,尤其要推广应用到高坝工程中。本文根据胶凝砂砾石坝的材料特性和施工工艺,提出简化其施工温控措施的设想,以一座百米级胶凝砂砾石坝为例,采用三维有限元法对其简化温控措施前后的温度场和应力场进行仿真分析,仿真分析计算结果为胶凝砂砾石坝简化温控措施、加快施工速度提供了依据。     

严寒干旱地区RCC重力坝的保温防裂措施

针对某严寒干旱地区RCC重力坝所在地"冷、热、风、干"的气候特点,分析了温度裂缝产生的原因,并主要从加强混凝土的表面保温着手,结合工程实际,利用有限元法进行坝体表面温度和温度应力的仿真分析。研究表明:表面保温是防止混凝土产生裂缝的有效措施之一;根据现场施工条件,采取对已浇筑的坝体表面粘贴5 cm厚XPS板并回填土进行保温的综合表面保温措施。     

严寒地区双曲拱坝混凝土配合比设计及试验研究

某大坝为混凝土双曲拱坝,坝址处的严寒气候特点对混凝土材料的抗冻耐久性等性能指标提出了较高要求。为达到混凝土高性能化和较好抗裂性的设计目标,进行了混凝土三级配、四级配和抗冲磨混凝土配合比试验,最后确定了大坝混凝土推荐配合比,成型试件的各项性能指标均满足设计要求。试验结果表明,含气量是发挥混凝土高性能的关键控制参数,含气量在4.5%～5.5%时可满足F400以上抗冻要求。     

周公宅拱坝混凝土温控防裂水管冷却效果研究

采用改进的水管冷却温度场迭代算法,对周公宅拱坝7号典型岸坡坝段水管冷却的一期效果进行研究。重点分析水管层距、间距以及浇筑层厚度对坝体内部温度场和应力场分布造成的影响,同时指出岸坡坝段水管冷却时温控防裂的主要问题。最后得出了周公宅拱坝7号坝段施工期一期冷却时水管布置形式的优选方案及温控防裂措施。     

寒区大坝温度场和渗流场耦合问题的非线性数值模拟

本文首先根据热传导理论和渗流理论,提出了带相变温度场和渗流场耦合问题的数学力学模型和控制微分方程,然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元公式,最后给出了一个考虑了渗流影响的寒区大坝温度场的计算实例。该例表明渗流场对寒区大坝的温度场影响很大,在寒区大坝的设计时应充分考虑这一因素的影响。     

沙沱碾压混凝土坝施工期温度应力仿真分析

结合沙沱碾压混凝土重力坝的工程实际情况,利用ANSYS软件及其二次开发技术,对该坝的典型坝段进行仿真分析研究。结合实测资料,对该坝段进行全过程温度应力仿真计算。分析了施工期温度及温度应力随时间变化情况以及某时刻在坝体的分布情况,总结了其变化规律。结合沙沱碾压混凝土重力坝埋设温度计的实测温度,将计算结果与实测温度进行了比较,表明有限元计算结果与实际情况相符,保证了仿真分析的准确性。计算表明,沙沱碾压混凝土重力坝施工期温度应力状况总体情况良好,但应特别注意高温季节碾压混凝土的温控工作。沙沱碾压混凝土坝的温度应力仿真分析工作为确立施工期的温控措施,避免产生温度裂缝提供了参考。     

覆盖层上胶凝砂砾石坝应力应变特征及影响因素

为了研究在覆盖层上的胶凝砂砾石坝的应力应变特征及影响因素,为未来在覆盖层上建造胶凝砂砾石坝做准备,使用三维有限元模拟,基于一种考虑了围压的修正邓肯—张模型模拟胶凝砂砾石料,对正常工况下的覆盖层上的胶凝砂砾石坝进行了模拟,并分别考虑了覆盖层厚度、弹性模量以及坝体胶凝材料掺量对覆盖层上胶凝砂砾石坝坝体内部的应力应变的影响。结果表明:覆盖层厚度、弹性模量以及坝体胶凝材料掺量与坝体位移呈现明显的线性关系,坝体位移随着覆盖层厚度的增加与弹性模量的降低而增大,但对坝体大、小主应力的影响不明显。即使在较软、较厚的覆盖层上,胶凝砂砾石坝仍然可以承受较大的变形而坝体内部应力变化不剧烈。该研究成果可以为胶凝砂砾石坝的选址提供一定的参考作用,可拓宽胶凝砂砾石坝的选址范围。     

上犹江水电站大坝闸墩与廊道顶拱裂缝成因分析

针对江西上犹江水电站大坝闸墩裂缝和检查廊道顶拱的贯穿裂缝,运用温度场和温度应力的有限元方法对施工和运行过程进行模拟计算,在运行期重点考虑夏季泄洪冷击和冬季寒潮对开裂的影响,根据计算结果对裂缝的成因进行分析。计算结果表明,不同时期的温度应力是产生裂缝的主要原因。提出了裂缝处理和预防的建议。     

强制冷却对碾压混凝土重力坝温度场和温度应力的影响分析

采用三维有限元法,模拟碾压混凝土重力坝的施工过程进行温控仿真计算。分析了大坝自然冷却、浇筑完毕后采取强制冷却措施以及运行两年后采取强制冷却措施,对温度场和应力场的影响。结果表明:强制冷却对强约束区应力影响较大,对其他区域应力影响相对较小。强制冷却方案的温度应力大于自然冷却方案的温度应力。因此,进行强制冷却时,应该选择合理的冷却时间,避免强制冷却产生过大的温度应力,使坝体产生温度应力裂缝。