高土石坝与基础防渗墙的应力应变分析

本文对一痤高土石坝与基础防渗墙进行了非线性有限元分析。根据计算结果,对坝体残余变形、剪切比、心墙水力劈裂以及防渗墙和坝体、坝基的联合作用等问题进行了讨论。     

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。     

高土石坝筑坝料本构模型参数研究

对某高土石坝(最大坝高258 m)的8种筑坝料进行了系统的试验研究,通过大三轴试验分析高应力状态下它们的应力-应变-强度特性。结果表明:堆石料的粘聚力c确实存在,而以往认为c=0,所以建议工程中适当取值;坝料抗剪强度呈现明显的非线性;各种坝料变形性质较协调;据邓肯-张模型参数的物理意义,改变传统的取值方法,取不同坐标范围的轴应变εa(如εa=20%,5%,3%,1%)绘图,在尽可能小的εa处求取a(或Ei),在较大的εa范围内求取b。克服了传统方法在一条直线上同时确定2个物理意义完全不同的参数a和b,而无法满足精度要求的缺陷。得到不同坐标范围的邓肯-张模量参数a(或Ei)和b及对应k,n和Rf值,并与常规方法取值综合比较,提出模型参数建议值,通过回归证明拟合较好,为该工程设计计算提供力学参数,为类似工程特别是高土石坝的本构模型参数整理提供了思路。     

土石坝黏土心墙防渗方式的有限元分析

采用大型通用有限元计算软件,依据岩土工程中常用的应力应变材料本构模型和渗流计算方法对黏土心墙防渗方案进行了计算,主要分析了大坝在竣工期和稳定渗流期能否安全运行、心墙防渗的作用以及心墙发生水力劈裂的可能性,为检验土石坝黏土心墙防渗设计方案的合理性提供了参考。     

关于土石坝心墙水力劈裂研究的一些思考

从发生条件、力学机理、试验研究和数值模拟等方面对土石坝心墙的水力劈裂问题进行了初步探讨。研究结果表明：（1）其发生条件至少包括物质条件和受力条件两个方面；（2）力学机理可以从断裂力学的角度进行揭示，判别准则可以基于断裂力学的理论建立；（3）试验研究中试样的边界条件和受力状态能够近似模拟心墙上游面的实际情况；（4）在弄清水力劈裂的发生条件、力学机理的基础上，通过试验研究建立合理的水力劈裂判别准则,对水力劈裂的发生发展过程进行数值模拟，是研究水力劈裂问题的有效途径。     

河海大学“高土石坝应力变形分析理论与应用研究”项目通过教育部科技成果鉴定

2007年4月1日，教育部在北京组织并主持召开了“高土石坝应力变形分析理论与应用研究”项目的科技成果鉴定会。鉴定委员会由11位专家组成，郑颖人院士和周丰峻院士分别担任主任和副主任。河海大学殷宗泽教授领衔的项目组自1973年始就开展了土石坝非线性应力变形分析的研究，是国际上该领域开拓者之一。     

非线性强度参数对高土石坝坝坡稳定性的影响

堆石料在高应力状态下，其抗剪强度具有明显的非线性。使用对数形式的非线性强度准则得到的坝坡计算安全系数要高于按线性强度准则得到的计算安全系数。现行规范所规定的许可安全系数，是与多年来大量使用偏低的线性强度指标所作的稳定计算相适应的，偏于保守：改用非线性强度后应作适当的提高。对采用非线性强度计算的安全系数比采用线性强度计算的安全系数提高程度进行了统计分析，给出了用非线性强度指标进行稳定分析的安全系数取值标准的建议值。     

修正邓肯模型及在面板堆石坝应力与变形分析中的应用

堆石料本构模型的选择对于合理预测堆石坝在施工和蓄水加载中的应力与变形性状是非常关键的,堆石坝的蓄水加载,导致单元应力状态发生改变,试验研究表明此路径堆石体的变形模量与施工加载路径下显著不同,简便而实用的邓肯模型能够反应土体的主要性质,并通过引入加载函数的加卸载准则来反映堆石体经历蓄水后刚度增加的模式,计算表明,该计算模式往往得到较大的变位,当卸载时直接采用卸载弹性模量,再加载时采用过渡的模式,并考虑加卸载对体积模量的影响,将此修正的邓肯模型用于板堆石坝的三维静力计算中,计算得到的面板的变形和应力结果相对较为合理。     

高土石坝几个问题探讨

对影响高土石坝安全的几个关键问题进行了探讨,并介绍了近年来相关领域的研究进展。分析了筑坝粗粒料尺寸效应的影响因素,联合采用室内试验、数值试验及反演分析等多种手段,较为系统地研究了粗粒料变形特性参数的尺寸效应,提出了一种由室内试验参数预测粗粒料现场变形特性参数的方法;介绍了粗粒料长期变形特性的测试方法及其发展,深入研究了流变变形的时间发展规律,提出了可广泛适用于描述粗粒料坝长期变形发展模式的对数幂流变经验模型;分析了含砾心墙土渗透特性受密度等因素的影响规律,构建了含砾心墙土非线性渗透模型,在此基础上探讨了心墙高孔隙水压力的形成机制及其对大坝安全的影响;研究了高应力、高水头作用下砾石土心墙的水力破坏模式,首次揭示了水力击穿的破坏机理,提出的水力击穿破坏判据克服了传统水力破坏判据对应力方向的依赖性,为心墙渗透安全评估与控制提供了重要依据;探讨了心墙与坝壳相互作用的演变机制以及岸坡约束作用对大坝安全的影响,进一步深化了对高土石坝变形协调问题的认识。     

堆石料残余变形特性研究

应用自行研制的高精度中型动三轴仪,对某筑坝堆石料的动力残余变形特性进行了试验研究。在充分考虑应力水平对残余动剪应变影响的基础上,对沈珠江提出的模型进行了改进,并利用试验求得的参数对理想面板堆石坝进行了残余变形有限元分析。研究表明:低坝时,改进模型与沈珠江模型计算的结果差别不大;随着坝高的增加、地震烈度的增大,两者计算的结果差别增大。     

高心墙堆石坝地震反应复合模型研究

高土石坝抗震分析得到国内外学者的极大关注。采用土工离心机振动台模型试验和动力数值模拟技术相结合的复合模型方法 来 研究高心墙堆石坝地震反应特性。 首先对不等比尺的离心模型试验结果进行数值模拟,以验证数值计算模型和确定计算参数,然后用数值方法对离心模型试验结果进行拓展和外延,推广到等比尺和原型情况。对比分析了 高心墙堆石坝地震加速度放大系数、地震残余变形、防渗墙动应力和破坏模式。计算值与试验值变化规律一致, 表明复合 模型是研究高心墙堆石坝地震反应特性一种行之有效的方法,（ 40 ～ 50 ） g 离心机振动台模型试验基本上可以反映高土石坝的地震反应特性。     

高心墙堆石坝坝坡加筋抗震稳定分析

目前强震区高土石坝抗震设计普遍采用加筋技术加固坝顶堆石,但加筋的效果如何评价是工程设计者关心的重要问题。传统的基于极限平衡的拟静力法无法反映坝体的动力特性及地震输入特性,得到的安全系数也不反映加筋坝体抗震的安全度。采用改进的Newmark滑块位移法对加筋堆石改善高坝坝坡的抗震稳定性,限制高土石坝地震变形等的工程效果进行了研究和探讨。计算中,首先依据堆石体和加筋堆石体的应力应变关系曲线得筋材与堆石的协调极限应变,进而确定筋材所能发挥的极限抗拉强度,利用瑞典-荷兰法结合蚁群复合形法搜索堆石加筋复合体潜在滑动体的位置,考虑竖向地震以及筋材与堆石的相互作用对滑动体屈服加速度的影响,改进了Newmark滑块位移法。结果表明,加筋减少地震变形最高可达80%,可有效地限制高土石坝坝顶的侧向滑动变形,提高坝体的抗震稳定性。     

高土石坝变形破坏过程预测理论和防控技术创新

中国是世界上高土石坝数量最多的国家,复杂建坝条件和恶劣服役环境下高土石坝建设和长期安全保障面临严峻技术挑战。介绍了“十三五”国家重点研发计划项目“复杂条件下特高土石坝建设与长期安全保障关键技术”的主要成果：揭示了粗粒土颗粒破碎对高土石坝变形的影响机制、粗粒土加载变形和流变变形服从不同流动准则的规律,以及坝基深厚覆盖层原位结构损伤演化规律,建立了精准预测高土石坝坝体和坝基变形发展过程和分布规律的本构理论;基于计算接触力学理论建立了模拟高土石坝不同材料界面复杂接触问题的非线性数值计算方法和模拟高土石坝三维裂缝萌生—扩展全过程的数值计算方法;发展了实用的非饱和土固结理论,实现了高心墙坝全生命期变形与渗流耦合过程的精细模拟;建立了高面板坝面板太阳热辐射温度应力场和结构破损过程模拟计算方法;研发了适用于高土石坝填筑、蓄水、运行等全过程模拟的高性能软件平台;针对特高土石坝建设和运行过程中常见病害,提出了相应的特高土石坝变形破坏防控技术。     

高面板坝全寿命周期变形控制方法及应用

高面板坝的变形对面板的安全运行有着特别重要的影响,国内外已建的高面板坝工程中,因坝体变形大导致防渗面板挤压破损,坝体渗漏量大的实例较多,不得不降低水库水位进行修复处理,造成较大的经济损失乃至给大坝的长期运行留下安全隐患。通过发生挤压破损的实例分析,发现变形控制缺乏系统性是发生面板挤压破损的主要因素,为预防面板破损,系统提出了“控制坝体总变形,转化有害变形,适应纵向变形”的坝体变形控制方法,并在使用软硬岩混合料筑坝的董箐面板堆石坝中得到的应用,取得了良好效果,该工程运行至今达十余年,未见面板有挤压破损迹象,该方法对建设200 m以上乃至300 m级超高面板坝具有重要借鉴意义。     

地震作用下面板堆石坝面板错台模型试验研究

采用弹性–重力相似关系设计了一组混凝土面板堆石坝（面板坝）振动台模型试验,研制开发了仿真面板材料,设计了一套图像采集、存储与分析系统。根据图像识别技术分析结果以及模型的数值计算分析结果,详细分析了面板坝面板错台机理,并与汶川地震中紫坪铺面板坝面板错台震害进行了对比分析。研究结果表明,地震造成的堆石体永久变形对面板产生的向下摩擦力和向外推力是造成面板错台的主要原因。模型 试验结果与数值计算结果和实际震害基本吻合 ,表明振动台模型试验可以再现原型的主要破坏特征。     

水布垭面板堆石坝应力变形监测资料分析

土的本构关系、土与结构物相互作用机理、土工数值分析方法始终是土力学研究的核心问题,高面板堆石坝作为一个典型的土工构筑物,其应力变形实测成果对于研究上述问题是非常有意义的。依据水布垭面板堆石坝的监测资料,对高面板堆石坝的坝体变形、面板应力及面板缝的变形进行了系统分析,为堆石料本构模型的研究、堆石坝的应力变形数值分析及设计提供参考。     

特高面板砂砾石坝结构安全性论证

基于试验研究与数值计算分析,对新疆大石峡250 m级特高面板砂砾石坝结构安全性进行了论证。结果表明:压实后的砂砾石料有较高的变形模量、较小的流变和地震残余变形,大坝运行期坝体最大沉降仅为最大坝高的0.64%;设计地震用下坝体最大震陷量仅为最大坝高的0.40%;静、动力荷载作用下,面板周边缝的沉陷和张拉值均未超过国内外已建工程的最大实测值,周边缝的剪切位移虽然比国内外已建工程的最大实测值大,但中国在混凝土面板接缝止水结构与材料方面的技术储备已经能够满足其要求。因此,与相同高度的面板堆石坝相比,面板砂砾石坝变形安全控制的难度较小。需要指出的是,250 m级特高砂砾石坝的防渗面板在静、动力荷载作用下的轴向和顺坡向拉、压应力极值较高,有必要在面板周边缝和压性垂直缝两侧一定范围配置加强钢筋。     

土石坝风险预警指标体系研究

风险预警指标体系与水库大坝的具体特点息息相关,针对土石坝的具体特点和工程实际,参照有关规范和法规,详细介绍了土石坝风险预警指标的分类以及筛选条件和构建方法。在此基础上,结合大坝失事资料统计结果,分析了影响土石坝安全的主要因素,将其失事模式主要分为洪水漫顶、渗透破坏、滑坡以及其他破坏等形式,从而建立了土石坝的风险预警指标体系,并应用于实际工程中。