强震作用下面板堆石坝跨尺度面板开裂演化分析

准确定位面板薄弱区域、定量评价面板破坏程度对面板坝抗震安全评价至关重要。联合非完全点对点界面和四分树网格生成技术,实现了面板坝面板与垫层接触作用的两级跨尺度精细化建模;引入混凝土黏聚力模型并联合筑坝材料广义塑性模型、状态相关的弹塑性接触面模型考虑材料强非线性和破坏过程,建立了强震作用下面板动力弹塑性跨尺度开裂演化分析方法,并研发了显式地震波动分析框架下的SBFEM-FEM耦合计算软件。以200m级面板坝为例进行了面板动力破坏数值分析,并分别考虑了面板配筋率、竖向地震和坝前水深的影响。结果表明:十分直观地再现面板坝防渗面板的动力开裂演化过程,有助于定位面板局部薄弱区域、定量评价面板破坏程度以及评估抗震措施加固效果,为混凝土面板抗震优化设计和极限抗震能力评估提供技术支持。可拓展用于其它混凝土防渗结构破坏计算,且可容易地扩展至三维分析应用。     

混凝土面板坝面板动力损伤有限元分析

联合采用混凝土塑性损伤模型和堆石料弹塑性本构模型,建立了面板堆石坝弹塑性动力分析方法,研究了地震荷载作用下混凝土面板的损伤发生和发展过程。计算结果表明：地震时,在0.65H（H为坝高）附近顺坡向拉应力最大,面板首先在该部位出现损伤,同时由于鞭稍效应,0.85H面板附近也出现损伤;采用损伤模型,损伤部位的面板出现软化,应力得到释放,计算结果比线弹性模型更加合理;采用塑性损伤模型可以反映混凝土面板渐进破坏过程,通过损伤变量可以清晰地了解面板的损伤分布和薄弱环节。此研究成果可以为进一步开展混凝土面板堆石坝极限抗震能力及抗震措施分析提供有效手段。     

非线性比例边界有限元在面板坝分析中的应用

面板坝结构尺寸相差悬殊,高效的精细化分析手段是面板坝抗震研究的重要工具。结合非线性比例边界多边形单元法和高效的四分树离散技术,进行了面板坝高效精细化分析应用研究。采用比例边界多边形单元法和传统有限元法,对相同面板坝模型进行静动力及永久变形分析;结合四分树离散技术,进行了典型面板坝结构的高效跨尺度精细化分析应用。结果表明:计算结果分布合理,两种方法吻合度高,比例边界多边形有限元可与传统有限元一样便捷地进行大坝全过程数值分析计算;比例边界有限元可与传统有限元不能直接求解的四分树技术实现无缝耦合,进行高效的跨尺度精细化分析应用,且可快速完成分析模型重建,大幅改善了分析效率,可为结构局部损伤演化、渐进破坏研究提供技术支撑。     

基于混凝土不均匀性面板堆石坝面板损伤分析

将混凝土面板堆石坝中面板混凝土视为宏观上均质、细观上不均匀的材料,结合统计学原理,考虑材料参数分布的随机性,通过二维有限元数值分析,研究了混凝土的弹性模量和抗拉强度随机性对面板堆石坝面板动力损伤分布规律的影响。计算结果表明:不考虑面板混凝土材料参数随机性时,(0.65~0.85)H(H为坝高)处面板顺坡向应力较大,拉损伤主要发生在0.8H(H为坝高)附近的面板处;随着混凝土材料不均匀性增大,发生拉损伤的部位趋于分散,但主要集中在(0.4~0.9)H范围内的面板。因此这部分面板应该是抗震设计的重点区域。采用混凝土弹脆性细观损伤模型,考虑材料参数的随机性,能够直观地阐明混凝土面板的地震破坏过程和损伤分布,便于了解面板薄弱环节,研究成果可以为混凝土面板堆石坝抗震设计提供参考。     

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。     

面板堆石坝模型动力破坏试验与数值仿真分析

通过类比试验方法 ,观察、比较了振动台上面板堆石坝和普通堆石坝的破坏过程及其破坏性态 ,分析了面板对坝坡稳定性的影响。由于堆石颗粒之间以及堆石体与面板之间的位移不连续 ,采用非连续变形分析方法对两种模型坝进行了数值模拟 ,结果表明 :数值模拟的结果与振动台模型试验的结果很相似 ,从而从模型试验和数值仿真分析两个方面探讨了地震时面板堆石坝的破坏过程及其破坏形态 ,对面板坝的抗震设计提供了依据。     

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。     

基于IDA的高面板堆石坝抗震性能评价

抗震性能分析能够有效估计结构在地震作用下的危险性,逐渐成为抗震安全性评价的重要方法,但由于结构的复杂性,该方法在面板堆石坝方面的应用还处于起步阶段。随着强震区大量高面板堆石坝的建设,这些高坝的安全性是必须要考虑的重大问题,因此对大坝进行抗震性能分析至关重要。增量动力分析(IDA)法作为一种抗震性能分析方法,能够全面、深入地分析在不同强度地震作用下结构性能的变化。将IDA法引入到高面板堆石坝安全评价领域,建立了高面板堆石坝地震破坏性能评价方法。根据场地条件选取了15条不同的强震动记录,以地震峰值加速度PGA为地震动参数,采用坝体地震震后变形、坝坡稳定性、面板防渗体安全为抗震性能评价指标,选取合适的性能参数,建议了高面板堆石坝各评价指标的破坏等级划分标准,通过大量非线性有限元计算,得到各性能参数的地震易损性曲线,分析了大坝在不同强度地震作用下发生破坏的概率,成果可为高面板堆石坝抗震性能设计和安全风险评估提供参考和依据。     

接触面模型对面板与垫层间接触变形及面板应力的影响

对某在建面板堆石坝进行了三维有限元静、动弹塑性计算,分析了接触面模型对面板与垫层间接触面变形及面板应力的影响。面板与垫层接触面分别采用:双曲线(仅静力计算)、理想弹塑性及广义塑性接触面模型。结果表明:竣工期,3种模型计算的面板应力是基本一致的。满蓄期,3种模型计算的面板顺坡向应力分布规律基本一致,但面板坝轴向应力的分布规律和量值有较明显的差别。蓄水时广义塑性接触面模型计算的接触面的应力路径和剪切位移与双曲线和理想弹塑性存在较大的差异。在地震荷载下,理想弹塑性和广义塑性接触面模型计算的地震后坝体残余变形引起的面板顺坡应力基本一致,但面板坝轴向应力差别较大。理想弹塑性模型只有当应力达到峰值时才产生塑性变形,这样会低估接触面的残余变形,不能与坝体残余变形相协调,高估了坝体残余变形对面板应力的影响。广义塑性接触面模型能更好的反映三维条件下接触面的剪胀、剪缩、硬化、软化、循环残余变形及颗粒破碎特性,更符合实际情况。     

高混凝土面板堆石坝地震损伤机理研究

以紫坪铺面板堆石坝为例,基于堆石料的黏弹性模型和地震残余应变模型计算分析了高混凝土面板堆石坝的地震响应,并结合震害调查结果分析了高混凝土面板堆石坝的地震损伤机理。研究表明,输入地震加速度在坝顶附近和坝坡表面显著放大,呈现出显著的鞭梢效应,导致坝顶和下游坝坡上部堆石体松动滚落。地震导致大坝堆石体产生显著剪缩,坝体断面整体向内收缩,刚性混凝土面板与垫层料之间脱空,脱空后面板与垫层料之间的摩擦力大幅减小甚至消失,面板在自重和地震惯性力联合作用下向下滑动,致使面板水平施工缝发生错台,面板表面产生裂缝。地震还导致岸坡附近左右坝段堆石体向河谷中央位移,致使岸坡附近面板垂直接缝发生拉伸破坏,河床中部垂直接缝及附近混凝土面板发生挤压破坏。数值计算和震害调查结果均表明,高混凝土面板堆石坝的地震损伤现象主要与其堆石体地震残余变过大,以及堆石体与防渗系统之间变形不协调密切相关,故强震区修建高面板坝应尽可能提高堆石体压实密度,以减小坝体的地震残余变形。     

300m级超高面板堆石坝变形规律的研究

采用三维有限元数值分析方法研究了300m级超高混凝土面板堆石坝的变形规律。指出坝体分区、筑坝材料特性特别是流变特性是影响超高面板堆石坝变形性状的主要因素,要重视超高面板堆石坝上游部分坝体变形的鼓肚现象。建议了合理选择筑坝材料,适当提高下游堆石区填筑标准、全断面均衡填筑、上部1/3左右坝体采用变形模量较高的坝料,待坝体变形基本趋于稳定才浇筑面板以及考虑设置面板永久水平缝等工程措施来改善超高面板堆石坝的应力变形性状。     

高混凝土面板堆石坝变形安全内涵及其工程应用

在分析国内外高混凝土面板堆石坝出现的严重问题的原由的基础上,摒弃几十年来面板堆石坝经验设计的概念,指出高混凝土面板堆石坝除了通常土石坝要求的抗滑稳定安全和渗流稳定安全以外还必须满足变形安全的要求。建立了高混凝土面板堆石坝设计的变形协调新理念,包括坝体沉降协调、坝体水平位移协调、面板法线方向和坝轴线方向的坝体变形和面板变形同步协调,提出了高混凝土面板堆石坝变形安全设计的内涵包括变形协调准则、判别标准、计算方法和对策,以 203.5 m 高的 Bakun 坝为例,阐明变形协调设计新理念替代经验设计概念的必要性。     

中国混凝土面板堆石坝的技术进步

首先阐述了中国20余年来混凝土面板堆石坝的发展概况,简要说明了已建和在建的94座坝高100 m以上的高混凝土面板堆石坝的主要技术特征和自主创新,包括上下游坝坡、面板厚度、宽度和配筋率、趾板宽度、坝体分区、筑坝材料、填筑标准、接缝止水和工程用途。展示了中国在国际混凝土面板堆石坝工程领域的领先地位。接着阐述中国混凝土面板堆石坝筑坝技术所取得的进展,分别阐述了设计技术、施工和监测技术、筑坝材料（软岩和砂砾石）和防渗结构（面板和止水）关键技术,不利自然条件下（狭窄河谷、高陡岸坡、深覆盖层、地震区和高寒区）的筑坝关键技术以及计算和试验研究等方面的技术进步和创新,最后简述了未来超高面板堆石坝的挑战和展望。     

高烈度地震区细粒尾矿上游法筑坝动力反应与稳定性分析

 核桃箐尾矿库位于中甸-大理地震带,其抗震设防烈度为8度,且入库尾矿为细粒尾矿。为论证其采用上游式工艺进行筑坝的可行性,综合运用堆坝模型试验、土工测试、理论分析和数值模拟等多种方法,对其动力反应与静、动力稳定性进行了系统研究。结果表明,通过高筑初期坝、合理设置排渗设施并增设块石贴坡,可以使核桃箐尾矿库尾矿坝的静、动力稳定性达到规范要求,从理论上证明了通过采取合适的抗震措施,在8度地震区的细粒尾矿库采用上游法筑坝是可行的。研究中还发现,由于动孔隙水压力的产生和增长,尾矿坝的动力安全系数在地震过程中呈波动下降的趋势。较大的永久变形是细粒尾矿堆坝的主要震害形式之一,当干滩面长度和安全超高不足时,震后容易发生漫坝事故。并从细观角度,对细粒尾矿堆坝颗粒分级不明显、浸润线埋深浅、滩面坡度缓等特点的成因进行了分析。     

折线型面板堆石坝——改善面板应力状态

数值计算和原型观测结果都表明,面板堆石坝靠近两岸的面板拉应力较大,个别部位拉应力甚至超过面板混凝土抗拉强度设计值,由于混凝土抗拉强度只有抗压强度的6%⁹%,拉应力往往是确定面板混凝土标号乃至影响面板安全的控制因素。本文提出了以折线型面板替代直线型面板来减小面板上拉应力的新设想,通过某水电站面板堆石坝的三维有限元法数值计算表明采用折线型面板可以有效地减小面板的拉应力,同时面板垂直缝的张开变形和周边缝的张开变形也都减小。因此,对于高面板堆石坝或河谷形状较陡的面板堆石坝工程,采用折线型面板可能更有利于大坝的安全。     

预应力平行圆管混凝土空心板柱结构地震后承载力试验研究

建造了一个4层现浇无粘结预应力混凝土空心板柱结构的1/4比例模型,分别进行地震前第3层楼板弹性范围内的荷载试验和地震后第1层楼板极限荷载试验,通过测量楼板挠度、钢筋应力及空心楼板的裂纹发展情况,探求预应力混凝土空心板柱结构地震的损伤破坏,楼板的承载能力的变化情况。试验结果表明,在相同荷载作用下,楼板跨中、平行布管方向预应力暗梁和垂直布管方向预应力暗梁跨中地震后挠度均大于地震前。空心楼板的整体性较好,强烈地震对楼板的刚度响应较小,楼面承载力试验过程仍可划分为三个阶段:弹性阶段,开裂扩展阶段和破坏阶段。地震对垂直布管方向预应力暗梁刚度影响大于平行布管方向预应力暗梁,垂直布管方向预应力暗梁跨中挠度地震后比地震前增大程度明显大于平行布管预应力暗梁。基于前述试验结果,并考虑空心楼板的裂纹发展情况,建立了空心楼板极限荷载状态下的塑性铰线分析模型,计算空心楼板的极限荷载略小于试验结果,计算结果与试验数据吻合较好。