基于三维有限差分法的小湾拱坝施工步模拟及极限承载分析

为深入研究高拱坝的破坏机制及安全度,有必要对小湾拱坝这一典型工程的极限承载能力进行重点分析。基于 FLAC3D显式有限差分算法,精确模拟小湾拱坝分步施工的全过程;在此基础上利用超载法和强度储备系数法,基于带拉破坏Drucker-Prager和Mohr-Coulomb两种准则,对比分析探讨高拱坝在极限承载过程中破坏机制及其渐进破坏模式;结合破坏区的具体形态,联合采用塑性区贯通、位移突变等方法,评价其整体安全度;分析两准则下高拱坝安全度存在显著差异的原因,指出在评价拱坝的极限承载力方面 Mohr-Coulomb 准则要优于Drucker-Prager准则;最后,还对材料参数剪胀角、抗拉强度进行了敏感性分析,从中得到一些有益的结论。     

基于位移反分析的小湾拱坝稳定性评价

小湾拱坝坝体裂缝在大坝分阶段实际蓄水后开裂扩展的可能性以及裂缝对坝体应力、位移和坝体稳定性的影响,对大坝安全至关重要。通过对小湾拱坝坝体施工过程及坝体内部温度裂缝的模拟,基于多点监测资料进行非线性位移反演分析,得到符合实际的材料力学参数,进而对坝体进行三维非线性仿真计算研究,以预测坝体在下一阶段蓄水以及最终蓄水后的稳定性。结果表明,该反演分析方法反演得到的参数合理准确,预计的位移结果可靠、精度较高,能很好地对拱坝安全性进行评价;仿真分析预测成果与坝体后期蓄水后的实际监测成果和地质力学模型试验成果吻合良好,在正常水载下,坝体整体变形符合拱坝变形一般规律,同时裂缝发生开裂扩展的可能性很小;裂缝对坝体整体影响不大,对局部有影响,大坝极限开裂状态与无缝坝类似,坝面开裂均是由表面产生裂缝向内部发展,而不是由内部裂缝引发。     

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。     

叶巴滩高拱坝抗震安全分析与评价

叶巴滩高拱坝是《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047-2015)在2015年9月1日正式颁布实施后,水电水利规划设计总院审查批复同意的第一座高坝水电站工程。新规范在地震输入、材料参数取值、设防等级、评价方法等多个方面进行了修订,本文介绍了按照新规范要求进行的叶巴滩拱坝动力分析与抗震安全评价的研究成果,以及采取的相应抗震措施。根据分析成果综合评判可知,叶巴滩拱坝基础约束区、上游坝踵区域、下游面坝体中部以及左右岸拱座抗力体是分析得出的拱坝抗震关键部位,在设计地震作用下大坝是安全可靠的,在最大可信地震作用下大坝也能够保持稳定。     

溪洛渡特高拱坝建设的岩石工程关键技术

 通过各设计阶段对溪洛渡特高拱坝岩石工程关键技术问题的不断深入研究,使得拱坝体型和结构设计很好地适应坝址地形地质条件;面对河床坝段基础地质条件的变化,通过建基面扩大开挖和上下游贴角设计,使得拱坝和基础相互协调,改善坝体和地基应力条件。三维地质力学模型试验和有限元分析表明,溪洛渡特高拱坝和基础具有良好的工作性态。监测成果表明,拱坝和基础实际工作性态符合规律。基于全寿命周期理论的溪洛渡“数字大坝”的建设与实践,为施工过程控制和决策提供了有力支持,进一步保证了拱坝在施工期和运行期各阶段的工作性态满足设计要求,保障了拱坝的安全可靠。     

小湾高拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究

 结合小湾高拱坝坝肩坝基的地形、地质特征、软弱结构面分布状况、浅层松弛卸荷现象以及加固处理方案,建立三维地质力学模型,研制主要断层的变温相似材料,运用超载与降强相结合的综合法对整体模型进行破坏试验。通过试验获得小湾拱坝坝肩坝基的变形特征、失稳的破坏过程、破坏形态及破坏机制,得到强度储备系数为1.2,超载系数为3.3～3.5,确定拱坝坝肩坝基整体稳定综合法试验安全系数为3.96～4.20。对试验数据的综合分析得出,两坝肩中上部高程部位由于对断层和蚀变带采用了混凝土洞塞置换,其变位相对较小,破坏形态和破坏范围相对较轻,说明混凝土加固洞塞置换起到较好的加固效果。根据试验显示的破坏形态和破坏区域,建议对右坝肩下游1 245 m高程以上的断层F11和F10做一定范围的处理,对左坝肩推力墩以上部分岩体进行适当的加固处理。     

基于COMSOL Multiphysics的高拱坝渗流-应力全耦合分析

基于COMSOL Multiphysics平台提供的M语言进行二次开发,研制多物理场全耦合分析模型,并开发计算程序。结合黄河上游某水电站工程建立拱坝渗流场与应力场耦合的三维有限元模型,对比分析水库正常运行期考虑与不考虑耦合情况下坝体和坝基的渗流场与应力场。结果表明,2种情况下渗流场、应力场和位移场的分布规律一致,数值有差别。相比不考虑耦合作用,考虑耦合作用所得到的渗流场等势线偏向下游,各位移分量都有不同程度的增加,且坝体上游岩体的拉应力增加,坝肩和坝基下游岩体的压应力增加,造成坝基渗流场局部分布规律变化,扬压力明显增大,对坝体和坝基稳定产生不利影响。可见,高坝考虑渗流-应力耦合作用效应是十分必要的。     

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。     

水科院岩土所“小湾拱坝极限承载力与变形稳定分析子题”通过中期检查

2008年3月11日在水科院岩土所,召开了小湾水电站施工详图阶段小湾拱坝基础处理与拱坝安全性评价科技攻关课题：小湾拱坝极限承载力与变形稳定分析子题的中期成果检查工作会议,参加会议的有：水电水利规划设计总院,云南华能澜沧江水电有限公司,中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院,中国水利水电科学研究院等单位的专家和与会代表。     

李家峡拱坝左岸高边坡岩体变位与安全性态分析

实际工程中常遇到山体单薄,地质构造发育,表层岩体卸荷松弛,甚至蠕变或滑移等高边坡安全稳定性问题,因而加强对此类高边坡岩体的变位监测并对实测数据进行及时的处理与分析,对于确保工程安全具有十分重要的意义.据此,以李家峡拱坝左岸高边坡为例,探讨如何通过岩体变位监测资料来全面分析和评价高边坡安全稳定性.在对水库初次蓄水以来的谷幅位移和左岸高边坡岩体变位监测资料进行时空定性分析和变形疑点物理成因分析的基础上,应用最小二乘法建立了岩体变位各测点的逐步回归模型,并以其对测值年变幅的拟合与分离结果,定量分析水压、温度、时效等因子对高边坡变位的影响效应.研究结果表明:(1)在库水位逐步抬升至正常蓄水位的过程中,李家峡左岸高边坡岩体主要产生朝河心方向的下滑变位,但位移量相对较小;(2)库水位在2002年1月趋于相对稳定后,高边坡岩体变位逐步趋于收敛并保持稳定,目前其安全性态基本正常;(3)由于局部岩体 仍存在轻微下滑趋势,建议加强对这些部位的监测.     

拱坝基础不对称性影响研究

结合国内外一些由于两岸基础不对性造成拱坝的影响实例，基于多次的地质力学模型试验和三维有限元计算分析，就锦屏一级高拱坝地形、地质条件不对性对拱坝整体稳定的影响和加固措施的选择进行了探讨。试验和数值结果均显示：上游坝踵拉应力偏大，下游出现拉应力。坝体应力不对称；左岸变形大于右岸，并且出现斜裂缝，超载能力偏低。通过研究，建议采用垫座及锚索等加固措施，使大坝整体处于平稳状态。     

大跨度拱桥施工拱架的设计方案研究

贵州底那河大桥是一座跨径120m的上承式拱桥,采用常备式钢桁拱架法现浇施工,该拱架是贵州省跨度最大的悬拼拱架。以底那河大桥为工程背景,介绍了常备式钢桁拱架在现浇拱桥施工中的应用,通过拱架施工过程中承载力的计算和整体稳定性计算,对施工方案进行了验算和优化研究,对于此类桥梁施工方案的设计和计算具有一定的借鉴意义和工程实用价值。     

乌东德拱坝坝肩三维抗滑稳定分析

 基于非线性有限元分析,采用三维有限差分程序FLAC3D,对乌东德拱坝联合坝肩岩体进行三维弹塑性数值模拟。由拱座岩体内不连续裂隙产状确定9个可能滑动楔块。将有限元计算的应力值通过插值转移到楔块滑面上,以滑面内短小裂隙建议连通率为依据折减滑面抗剪强度,采用三维矢量和法计算楔块安全系数。弹塑性计算结果表明,坝肩岩体在荷载条件下位移、应力分布基本对称河谷,但是受近坝断层F15,f42及K25岩溶系统影响,右坝肩受影响范围略大于左岸。正常蓄水条件下9个楔块具有较高的安全裕度,温升荷载导致大部分楔块稳定性降低,温降荷载主要对右坝肩稳定不利。地震荷载条件下,所有楔块稳定性大幅降低,平均降低30%,最大降低53.9%,坝肩岩体整体仍能保持稳定。     

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。     

高拱坝振动台地震破坏试验研究及数值仿真

 以大岗山拱坝模型的动力破坏试验为基础,从试验和数值计算角度,对整体拱坝动力特性、薄弱部位、破坏形态以及抗震性能进行研究。采用和混凝土性能相似的脆性模型材料,通过逐级加载的方式在振动台上对整体拱坝进行从弹性到破坏整个过程的模型试验,分析坝体动态特性、加速度和应变的变化规律。并采用弹脆性损伤模型对混凝土拱坝在地震作用下损伤破坏的全过程进行数值仿真,探讨拱坝动力破坏过程、破坏形态,并与试验结果进行对比分析。结果表明：模型试验和对原型进行的数值模拟所得到的破坏过程和破坏形态都较为接近。在顺河向地震作用下,顶拱的坝中部位为地震应力最高的区域,是坝体薄弱的部位,整体拱坝首先在该位置出现裂纹,其次是顶拱距左右两岸1/4拱圈处。在强震作用下,拱向和梁向裂缝贯穿上下游,将导致拱顶中部的混凝土脱离坝体,丧失壅水功能。试验和计算结果相互印证,可呈现高拱坝在强烈地震作用下的损伤破坏过程及破坏形态,确定抗震薄弱环节,为混凝土高坝的抗震功能设计提供基础。