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。     

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。     

土石坝地震永久变形的危险性分析

本文将地震地面运动模拟为零均值平稳高斯随机过程,以Newmark滑块模型为基础,建立了土石坝地震永久变形的概率分析模型,利用Monte-Carlo数值模拟检验,证明了在随机地震作用下土石坝永久位移服从正态或对数正态分布,通过大量综合计算,给出了永久位移概率分布参数与可能滑动体平均地震加速度功率谱参数之间的经验关系,针对一个算例,对土石坝地震永久位移进行了危险性分析。     

坝坡地震永久变形分析

结合大坝工程实例,根据堆石料的大型动三轴试验结果,确定了坝料的残余体应变和残余剪应变模式,特别是非饱和料的残余体应变模式.在所建立的面板坝三维非线性动力反应有限元法基础上,结合孔隙水压力扩散和消散的计算,建立了一套同时计入残余体应变和残余剪应变的面板堆石坝地震永久变形的计算方法.最后,结合案例进行了地震永久变形的计算,分析了坝体地震永久变形的量值和分布情况,为大坝的抗震设计提供了有力的技术依据.     

堆石料变形参数的粒径尺寸相关性研究

堆石料变形参数的尺寸效应直接影响土石坝的变形预测,关系土石坝防渗体的变形协调,也是当前高土石坝的关键技术难题。基于前人的研究成果,根据不同尺寸试样之间的应力应变转换关系,推导了邓肯–张E–B模型各个参数与粒径的相关性。结果表明堆石料这类易破碎材料可以根据颗粒强度的粒径相关性和缩尺样的应力–应变曲线预测大尺寸试样的应力–应变关系。在邓肯–张模型中,尺寸效应较为明显的参数有φ0,K和Kb,参数Rf,n和mb是无粒径尺寸效应或尺寸效应不明显的参数。通过对比不同尺寸试样的邓肯–张模型参数的试验结果,进一步验证了该规律的合理性。     

堆石料劣化及其对大坝安全运行影响的研究

在现有土石坝工程中,一些易风化的软岩已被广泛应用于坝体的填筑,在坝体长期运行过程中,堆石料含水率和温度变化的影响等会造成其力学性质的劣化,随着全球大气环境污染加剧,酸雨对其力学性质的影响也将日趋显著。堆石料是天然形成的,一般而言已有的生命周期可能比大坝的使用周期长得多,但在某些情况下岩石的力学特性会在很短甚至几个月内发生较大变化,堆石料力学性质的劣化会使其强度参数降低从而导致大坝安全稳定性下降,同时使坝体产生附加后期变形。现有的大坝设计中把岩体分成全风化、强风化、弱风化等,一般只考虑风化的现状,很少考虑工程建成以后岩体因风化而对其寿命和功能的影响。随着科技的进步,特别是环境岩土工程的进步,对风化现象从定性描述到定量研究的条件正在逐步成熟。针对单线法和双线法两种试验方法,分别提出了一个能够考虑堆石料风化影响的计算模型,可用于定量分析大坝使用周期内的坝体应力变形特性的变化,在此基础上对大坝内易风化软岩的分区布置进行了探讨。     

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。     

土石坝试验新技术研究与应用

研制的多功能静动力大型三轴试验系统是中国首台能够测量堆石料动态体变过程的大型三轴试验设备,构建了国内外70多座重要高土石坝筑坝堆石料静动力学性质试验数据库,揭示了静动荷载作用下堆石料的颗粒破碎规律及其影响因素、强度与剪胀(缩)非线性变化规律、地震残余变形发展规律、流变规律和饱和砂砾石料地震液化规律等。创建了高土石坝离心机振动台模型试验技术与试验结果分析方法,成功应用于高面板堆石坝与心墙堆石坝地震破坏机理和抗震加固方案有效性验证,得出的高土石坝地震加速度反应和地震残余变形定性与定量分布规律、高土石坝地震破坏机理结果得到了汶川地震后紫坪铺面板堆石坝和碧口心墙坝震害资料的证实。较好解决了目前高土石坝地面振动台模型试验与原型应力水平相差过大,常规离心机振动台模型试验因模型箱尺寸和振动台功率限制无法进行与原型应力水平一致的模型试验的难题。创建了土石坝溃坝离心模型试验技术与试验结果分析方法;研发了离心机大流量水流控制系统,实现了水流在地面普通重力场和超重力场之间的平稳过渡;研发了将模型布置和模型测量两部分有机融合为一体的专用溃坝模型箱,有效解决了管道流量计在坝体溃口流量变幅大和泥石流下无法正常工作的难题,实现了土石坝溃坝全过程溃口洪水流量的测量。上述研究成果为进一步提升高土石坝灾害预测与防控水平提供了重要技术支撑。     

基于变形的土石坝地震易损性分析

地震易损性分析是地震风险分析的重要组成部分,可以预测结构在遭受不同等级地震荷载作用下发生各级破损的概率。土石坝在地震作用下易发生不同程度的破坏,对其进行易损性分析可以为土石坝地震风险分析及评价提供有效途径。考虑土石坝材料参数及地震动输入不确定性因素的影响,提出了基于变形的土石坝地震易损性分析方法。采用正交设计法选取材料参数样本组合,分别施加不同地震峰值加速度进行地震反应分析,基于坝顶相对沉陷破损评价指标,给出了大坝的易损性曲线。以云鹏心墙土石坝为例进行了地震易损性分析,得到大坝不同震损等级的风险概率,对土石坝地震风险评估和抗震设计优化、维修加固决策等具有重要意义和应用价值。     

Three-dimensional seismic response analysis of a concrete-faced rockfill dam on overburden layers

Reasonable seismic response analysis of a high rockfill dam is of great engineering significance in guiding its design and ensuring its seismic safety during operation, especially of a concrete-faced rockfill dam (CFRD) on overburden layers. The three-dimensional seismic behavior of the Miaojiaba CFRD is simulated and analyzed by the finite element method (FEM). The results indicate that: 1) the amplification coefficient along the dam axis gradually increases with the altitude, and reaches maximum at the dam crest; 2) the vertical residual deformation mainly exhibits downwards and reaches maximum near the dam crest; 3) the earthquake significantly aggravates the deformation of peripheral joints; 4) the impounding condition and overburden characteristics have great effects on the dam’s seismic response.     

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。     

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。     

高心墙堆石坝坝基廊道受力特性研究

在中国水资源最为丰富的西部地区,河床覆盖层厚达数十米甚至百米,一大批土石坝正在和将在这些大江大河上建设。坝体心墙与坝基防渗墙多采用廊道这种结构型式进行连接,廊道受力条件复杂,是工程成败的关键,但是有些已建工程却出现了廊道漏水的现象,廊道开裂和结构缝破坏成为亟待解决的问题。为了对廊道受力情况和开裂规律有一个清楚的认识,分析总结了几个工程廊道的监测资料,同时基于混凝土非线性本构理论,建立有限元模型对廊道进行了数值模拟。对监测结果和数值计算结果进行对比分析之后,探讨了廊道中的结构缝问题和廊道整体的受力规律,指明了廊道中需要重点关注的易开裂部位,为廊道合理配筋提供了指导,同时为类似工程的决策提供参考。     

Three-dimensional seismic response analysis of a concrete-faced rockfill dam on overburden layers

Reasonable seismic response analysis of a high rockfill dam is of great engineering significance in guiding its design and ensuring its seismic safety during operation, especially of a concrete-faced rockfill dam (CFRD) on overburden layers. The three-dimensional seismic behavior of the Miaojiaba CFRD is simulated and analyzed by the finite element method (FEM). The results indicate that: 1) the amplification coefficient along the dam axis gradually increases with the altitude, and reaches maximum at the dam crest; 2) the vertical residual deformation mainly exhibits downwards and reaches maximum near the dam crest; 3) the earthquake significantly aggravates the deformation of peripheral joints; 4) the impounding condition and overburden characteristics have great effects on the dam’s seismic response.     

考虑流变效应的高心墙堆石坝应力变形分析

采用三维有限元法对某高心墙堆石坝的应力变形进行了计算分析,数值结果表明,大坝的应力变形值在合理范围内,基本稳定期的坝体沉降约占坝高的1．07％,该心墙堆石坝的位移及应力分布符合心墙堆石坝应力变形的一般规律。     

高土石坝坝坡地震稳定分析研究

采用有限元动力时程稳定和变形分析方法,对不同高度大坝坝坡稳定进行分析,开展了最危险滑弧确定方法 、地震动持时对稳定和变形的影响、滑弧位置和深度以及坝坡加固范围的研究 。结果表明：拟静力法采用规范建议的加速度分布系数不能反映高土石坝实际地震反应规律,计算得到的最危险滑弧较深且滑动范围偏大,不利于确定坝坡的加固范围;坝坡在地震过程中,最小安全系数与最大滑动量对应的滑弧并不一致且是不断变化的,有限元动力法计算坝坡稳定时,应在每一时刻任意搜索最危险滑弧;地震持时对坝坡安全系数影响不大,但对滑动量有较大影响;不同滑弧深度对坝坡安全系数有较大影响,存在一个临界深度,当滑弧超过临界深度时,坝坡安全系数大于 1.0 ;坝坡稳定安全性评价需要综合考虑安全系数与变形的计算结果。根据计算结果,建议了坝坡加固的范围。     

基于非线性剪胀模型的面板堆石坝应力变形分析

介绍了一种力学概念明确、简单实用的非线性剪胀模型,给出了本构关系的刚度系数矩阵,应用该模型对某堆石坝工程的堆石料真三轴试验进行了计算模拟,并与试验成果进行比较,验证了模型的合理性。在此基础上,分别采用非线性剪胀模型和邓肯E–B模型完整模拟了坝体分层填筑、面板分期以及分期蓄水全过程,对坝体应力与变形、面板应力与变形计算成果进行对比分析,验证了非线性剪胀模型在面板堆石坝静力有限元分析中的适用性。     

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。     

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。