特高拱坝基础破坏、加固与稳定关键问题研究

特高拱坝的坝基条件大都比较复杂,基础岩体的破坏、加固与稳定评价出现一些关键新问题:坝基岩体力学参数合理取值;坝踵、坝趾基础开裂机制;坝肩非典型软弱蚀变带的处理;贴角区灌浆时机选择;坝趾锚固力损失评价以及大坝-基础非线性稳定分析等.传统的分析方法和加固处理措施日益受到挑战.结合实际工程,就如上问题涉及的研究方法、处理措施...     

大岗山水电站高拱坝蓄水初期工作性态演化研究

高拱坝的位移、应力状态是拱坝在蓄水初期重点关注的问题。将微震监测技术与有限元数值模拟相结合,研究拱坝微震变形与坝体应力的内在关联,对蓄水初期拱坝的应力、位移变化规律进行分析,探究拱坝蓄水初期工作性态演化规律,提出利用微震事件判断拱坝真实受力状态的方法。研究表明:拱坝微震事件与坝体应力在时空分布上存在一致性,坝体高压应力的集中和迁移是微震事件萌发的内在驱动力。蓄水前,拱坝高压应力集中在坝踵区域,微震变形也聚集在坝踵区域。蓄水后,拱坝的高压应力集中区域和微震变形聚集区域均从坝踵转移到坝趾区域,同时拱坝主拉应力区域实现了从拱端到坝踵的转移。通过微震事件的Es/Ep比值累积频率分布特征可以推断出拱坝在不同蓄水时期应力集中区域的分布情况。研究成果对于研究高拱坝真实工作性态具有一定的参考价值。     

白鹤滩拱坝扩大基础加固效果研究

扩大基础被认为是适应白鹤滩高拱坝左岸不利地质条件的重要结构形式,目前对其量化的加固效果评价方法的研究尚不明确。建立白鹤滩拱坝基础系统的三维有限元模型,在对基础构造进行精细模拟的基础上,针对扩大基础进行弹塑性有限元分析,并提出基于变形加固理论的加固效果评价方法。结果表明,正常工况下,扩大基础能提高拱坝整体刚度,提升坝体变形的对称性,并改善坝建基面附近岩体的应力状态。不平衡力和塑性余能范数作为评价指标对比表明,扩大基础能明显减少坝体、坝踵和坝趾范围的不平衡力,减小坝体屈服区,工程各部分余能范数均有所降低,扩大基础对拱坝局部坝踵、坝趾区域及拱坝整体稳定性的加固作用明显。验证了加固措施的必要性,有助于对深化扩大基础加固机制的理解,对高拱坝设计及实际工程具有重要借鉴意义。     

基于微震监测的大岗山高拱坝坝踵蓄水初期变形机制研究

 混凝土高拱坝坝踵是蓄水初期阶段拱坝安全的重点关注部位。通过构建国内首套高拱坝坝踵微震监测系统,实现对蓄水初期阶段大岗山拱坝坝踵区微破裂的实时监测,探究坝踵蓄水初期变形机制及其与微震活动性的关系。采用人工敲击试验确定坝踵等效P波波速为4 300 m/s,系统定位误差小于8 m。对系统获取的事件波形进行噪声滤除,并在自动定位基础上进行人工二次校核,提高定位精度,验证了微震监测技术应用于大体积混凝土工程的可行性。分析认为：蓄水初期阶段,大岗山高拱坝坝踵区微震活动性与库水位密切相关,微震事件聚集区实现从坝踵向坝趾的转移,坝踵压缩变形减小,而坝趾区变形量增加。此外,通过拱坝坝踵区微震变形演化过程,揭示了导流洞下闸蓄水前940 m高程基础廊道拱顶裂缝产生的根本诱因。研究成果可为混凝土高拱坝微震监测和真实工作性态研究提供参考。     

白鹤滩高拱坝坝趾锚固研究

 高拱坝坝趾区域是加固设计的重点关注区域。为了对其锚固进行研究,进一步阐述基于变形加固理论的高拱坝坝趾锚固机制。给出坝趾锚固区域不平衡力的计算方法和坝趾锚固的基准状态。将这一机制应用于白鹤滩高拱坝坝趾锚固数值分析中,得到锚固所需的最小加固力和最优锚固角,并分析坝趾不平衡力分布规律的原因。同时,对白鹤滩高拱坝进行大比例尺(250∶1)下的地质力学模型试验研究。通过对加载过程中的位移、应变和开裂的监测和分析,得出坝趾区域随荷载增加过程的破坏规律。通过对地质力学模型试验与数值分析结果的对比分析表明,两种研究方法的结论是相一致的,白鹤滩高拱坝左岸坝趾较右岸坝趾更为薄弱。研究结果表明,变形加固理论为坝趾锚固分析和评价,提供科学的理论基础和实用的分析方法。     

大岗山双曲拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究

针对大岗山双曲拱坝的工程地质问题,采用三维地质力学模型试验技术,研究坝体和坝肩从加荷到破坏的整个过程和机制.试验过程模拟大坝基础的不连续岩体条件、岩体力学特性和整体双曲拱坝.试验考虑拱坝上游超载情况,同时还模拟两坝肩岩体中软弱结构面强度弱化的影响,为此研制适合该工程的变温相似材料及试验模拟新技术,并在一个模型上进行强度储备与超载相结合的综合法试验.试验结果给出拱坝在正常蓄水位和降强之后超载作用下的位移场,获得坝体和坝肩的变形及分布特征、内部断层典型测点的相对位移,揭示拱坝坝体和坝基失稳前后裂缝发展的全过程及其破坏机制.得到强度储备系数为1.25,超载系数为4.0～4.5,确定拱坝坝肩坝基整体稳定安全度为5.0～5.6.对试验数据的综合分析,可以评价边坡的稳定性,并针对坝肩的薄弱环节提出加固处理措施建议.     

高拱坝坝肩坝基整体稳定地质力学模型试验研究

锦屏一级水电站是雅砻江干流上的重要梯级电站。工程主要开发任务是发电，同时还兼有拦沙、防洪、蓄能作用。该工程大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高305m，为目前世界上最高拱坝。坝址区地质构造复杂，两岸谷坡为近千米的高陡边坡，两坝肩岩体内存在断层、煌斑岩脉、层间挤压带、深部裂隙等各类软弱结构面，对拱坝坝肩坝基稳定带来不利影响。采用三维整体地质力学模型试验研究方法，研究了锦屏一级高拱坝坝肩坝基的整体稳定性。试验中充分考虑了影响坝肩坝基稳定的各种因素，既考虑拱坝上游超载情况，同时还重点模拟两坝肩岩体中软弱结构面强度弱化的影响，为此研制了适合该工程的变温相似材料及试验模拟新技术，并在一个模型上进行了强度储备与超载相结合的综合法试验。通过试验获得了坝肩坝基的变形及分布特征、失稳的破坏形态和破坏机理，确定了拱坝坝肩坝基整体稳定安全度为4．7～5．0，评价了工程的安全性，并针对坝肩的薄弱环节提出了加固处理措施建议。     

高拱坝坝肩岩体变形稳定性的三维数值模拟

以金沙江上游拟建某水电站高拱坝坝肩为研究对象,应用有限差分程序FLAC-3D对坝肩岩体在天然和荷载后的应力、变形和破坏的发展特征模拟分析,重点分析了坝肩岩体在正常工程荷载下的变形稳定性及坝肩超载特性,得到了坝肩岩体的变形破坏特征及超载安全系数。     

复杂地质条件下拱坝坝肩稳定分析及密集节理影响研究

针对小湾拱坝左、右岸坝肩抗力体内存在的地质缺陷,采用超载方法,对小湾拱坝1 210 m高程进行坝肩稳定平面地质力学模型试验.试验重点模拟主要断层、蚀变带、软岩带以及坝肩SN,EW向2组主要节理;得出坝体位移、应变,坝肩位移、破坏过程、破坏形态和超载安全系数,对坝肩稳定性进行评价.由于地质力学模型缩尺后无法模拟坝肩岩体中的密集节理,为了探讨密集节理对坝肩稳定的影响,采用非线性有限元对考虑和不考虑密集节理2种情况进行计算分析,通过对比计算结果得出,密集节理对坝体、坝肩位移的影响为-8%～10%、对超载安全系数的影响约为-9%,说明密集节理对小湾拱坝1 210 m高程坝肩稳定的影响程度不大,试验成果是可靠的.     

基于微震监测的大岗山水电站高拱坝廊道裂缝形成原因研究

针对大岗山水电站高拱坝廊道顶拱在蓄水前出现了多条深层裂缝的现象,通过构建的高拱坝微震监测系统,对蓄水前后979 m高程交通廊道、940 m高程基础廊道和937 m高程排水廊道产生的微破裂信息进行分析,再现混凝土拱坝廊道裂缝产生的演化过程,研究廊道裂缝形成的真正原因。结果表明:大岗山高拱坝廊道微震活动性与坝前库水位具有明显的相关性。蓄水前,大岗山高拱坝坝踵区廊道顶拱微震活动性较强,超过廊道顶拱开裂阈值,诱发顶拱产生横河向裂缝。蓄水后,随着库水位的升高,坝踵区廊道裂缝趋于稳定,而坝趾区廊道呈现开裂的趋势。揭示大岗山水电站蓄水过程中,拱坝廊道开裂有由坝踵向坝趾转移的趋势。建议蓄水期阶段应密切关注拱坝坝趾区混凝土的损伤情况。     

龙羊峡重力拱坝的断层深部处理

龙羊峡重力拱坝高178m,是国内目前最高最大的拱坝.坝区附近存在着八条断层,地质条件复杂.根据二维及三维弹塑性有限元分析和地质力学模型试验表明:如断层深部不处理,蓄水后尚不及正常高水位时,拱坝高部及基础可能发生破坏;如遇设计地震或发生可能的水库滑坡时,高部基础和拱坝坝踵可能产生严重破坏.断层深部主要用75000m~3地下混凝土结构处理后,坝肩岩体刚化,承载能力显著提高,拱坝及基础的超载安全度可以提高到3.3-5.8以上,满足设计要求.目前大坝已挡水百余米,未见异常.进一步观测仍在进行中.     

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。     

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。     

拱坝坝肩岩体稳定地质力学模型试验

保证坝肩岩体稳定是拱坝设计和建设中的重要问题。由于岩体通常是非均匀、非弹性的不连续体,故其三维稳定性分析十分复杂。利用能反映地质构造特点的地质力学模型试验研究拱坝坝肩岩体稳定是一种较新的有效方法。本文论述了拱坝坝肩稳定的类型及性质、地质力学模型试验的原理和方法以及试验技术问题。文中并介绍了为国内一座大型重力拱坝进行的坝肩稳定三维小块体地质力学模型试验研究成果,分析了该坝左坝肩在水压超载条件下的破坏机理,指出它与通常采用的刚体极限平衡理论分析结果差异较大。     

考虑岩体开挖卸荷动态变化水电站坝肩高边坡三维稳定性分析

金沙江一双曲拱坝最大坝高277 m,左岸坝肩开挖边坡高约300 m;右岸坝肩开挖边坡高约480 m,由于坝肩槽开挖所形成的边坡属于高陡边坡,其开挖后的稳定状况会极大影响大坝的正常运行。通过对坝址区地质资料的详细分析,建立坝肩边坡三维计算模型,并结合卸荷岩体力学理论,通过弹塑性有限元法研究坝肩边坡在开挖过程中的动态稳定性。研究结果表明：该高边坡在开挖过程中及开挖后,除开挖面附近局部区域不稳定外,整体并无失稳趋向;考虑岩体在开挖过程中的动态卸荷过程后,边坡岩体的位移和塑性区面积比不考虑时有所减小;岩体的破坏区随着开挖的进行不断变化,可根据每步开挖后岩体的破坏情况选择合理的加固措施及加固时间。     

考虑岩体开挖卸荷动态变化水电站坝肩高边坡三维稳定性分析

金沙江一双曲拱坝最大坝高277 m,左岸坝肩开挖边坡高约300 m;右岸坝肩开挖边坡高约480 m,由于坝肩槽开挖所形成的边坡属于高陡边坡,其开挖后的稳定状况会极大影响大坝的正常运行.通过对坝址区地质资料的详细分析,建立坝肩边坡三维计算模型,并结合卸荷岩体力学理论,通过弹塑性有限元法研究坝肩边坡在开挖过程中的动态稳定性.研究结果表明:该高边坡在开挖过程中及开挖后,除开挖面附近局部区域不稳定外,整体并无失稳趋向;考虑岩体在开挖过程中的动态卸荷过程后,边坡岩体的位移和塑性区面积比不考虑时有所减小;岩体的破坏区随着开挖的进行不断变化,可根据每步开挖后岩体的破坏情况选择合理的加固措施及加固时间.     

白鹤滩拱坝基础垫座方案优化研究

白鹤滩高拱坝地基地质条件复杂,需要设计大范围的垫座以改善受力条件。目前关于拱坝地基和坝肩处理措施的研究大多依赖工程经验,尚没有完整、可靠的垫座评价准则。提出拱坝垫座设计的综合优化方法,通过分析垫座对坝体的影响及垫座自身的稳定性,找到最优的设计方案。该方法综合坝体位移、应力、屈服区、抗滑安全度等因素,采用不平衡力分析坝踵开裂,采用塑性余能范数(PCE)评价垫座整体稳定。不平衡力是结构局部失稳后的度量,能够有效地预测裂纹扩展部位和方向。余能范数是不平衡力的标量范数,可用于判断结构的整体稳定性。对比4种垫座设计方案,通过对坝体位移、坝踵开裂、垫座整体稳定和抗滑安全度的分析,确定将垫座视为坝体、垫座上游侧设缝为白鹤滩拱坝垫座的最优设计方案。     

基岩稳定的地质力学模型试验与有限元分析——二滩水电站右坝肩稳定分析

本文综述了七年来,对二滩水电站拱坝坝肩稳定进行的分析研究工作成果和方法,研究成果主要有: (1) 运用二十个地质力学模型试验分析坝肩稳定的安全度;分析软弱带即纤闪石化玄武岩对坝肩稳定的影响,探求对它的处理方案,研究河岸风化卸荷带利用和减少开挖的可能性,选择优化的大坝建基面,分析了坝与基础的共同作用。 (2) 运用有限元方法,计算坝肩稳定的安全度,破坏机制,以便和模型试验相对比。本文综述了1/250比例模型的相似律:用4520块石膏块体做成了比例模型,模拟了岩体的块体结构,纤闪石化软弱带及岩体的三组裂隙节理和断裂。本文提出了石膏块体比例相似模拟岩体结构的关系及尺寸效应,弹塑性及脆性材料试验方法等,还提出了连续破坏的记录。本文用20个模型的相互对比方法,得出了坝肩稳定的安全度及锚索方案,混凝土置换,高压灌浆等处理方案的可能性;比较了抛物线拱坝,不同坝型拱坝的稳定度,认为在这里修筑拱坝是可行的。本文还综述了有限元方法计算稳定的弹性模型,弹塑性-脆性模型,两者做了比较,计算结果与实验成果基本一致。     

木里河立洲拱坝整体稳定地质力学模型试验研究

采用三维地质力学模型超载法试验,对立洲拱坝的整体稳定性进行研究,在模型中充分反映断层、层间剪切带、裂隙密集带及长大裂隙等复杂地质构造对拱坝与地基整体稳定性的影响。通过超载法破坏试验获得坝体、坝肩、坝基岩体及结构面的变形特征、破坏失稳过程、破坏形态和破坏机制,揭示影响稳定的控制性因素和工程薄弱部位,确定拱坝与地基在各阶段的超载安全系数为：起裂超载安全系数K1 = 1.4～2.2,非线性变形超载安全系数K2 = 3.4～4.3,极限超载安全系数K3 = 6.3～6.6。通过对比分析类似拱坝工程的超载法试验结果可知,立洲拱坝的超载安全系数在统计分布范围之内,但两坝肩中上部的岩体和结构面局部破坏较严重,需对这些薄弱部位进行重点加固处理,以进一步提高坝与地基的整体稳定安全性。     

叶巴滩水电站拱坝坝肩深部卸荷带影响研究

针对叶巴滩拱坝左右坝肩内存在的深部卸荷带等不良地质缺陷,采用地质力学模型试验超载法,对叶巴滩2 750 m高程拱坝和坝肩的工作性态开展平面地质力学模型试验研究。通过试验获得拱坝、坝肩及深部卸荷带的变形特性和破坏形态,探明了深部卸荷带对拱坝和坝肩的工作性态的影响,揭示了工程的薄弱部位。研究表明深部卸荷带对拱坝和坝肩的工作性态有明显影响,其影响程度与强松弛IV_s类岩体所处位置及与拱端附近断层的组合作用有关。位于左坝肩强松弛IV_s类岩体对拱坝和坝肩的变位、拱推力的传递影响较大,位于右坝肩的断层f29(f74)对坝肩稳定有明显影响。对左右坝肩内的这些薄弱部位需采取相应的加固措施,以改善拱坝和坝肩的工作性态。