高面膜堆石坝防渗结构受力变形数值分析方法——高面膜堆石坝关键技术（四）

针对目前堆石坝面膜防渗结构数值计算和结构分析中所存在的问题,对传统的有限元数值计算模型进行了改造和完善,利用一种新的连接单元来模拟土工膜与下部垫层间的界面剪切特性,在提高土工膜防渗结构有限元分析23精度的同时不额外增加整体有限元计算的规模,从而能够大大提高计算效率;对于土工膜防渗结构在坝面四周锚固处可能出现的夹具效应,通过添加在锚固处的三维弹簧单元,实现了对锚固处土工膜受力变形特性的有效模拟。计算结果表明,堆石坝坝面防渗土工膜在坝面绝大部分处所受的拉力较小,而在坝面底部锚固处拉应力较大,易发生拉裂破坏。     

高面膜堆石坝发展的需求与关键技术——高面膜堆石坝关键技术(一)

面膜堆石坝是指上游坝面用土工膜防渗的堆石坝。综述了面膜堆石坝半个世纪以来的发展状况,分析了该坝型的特点及该坝型技术在我国的使用现状与需求:面膜防渗结构具有渗透性低微、差异变形适应性强、施工简捷、工期短、造价低等特点;由于国外专利保护等原因,面膜堆石坝技术未能如面板堆石坝和碾压混凝土坝那样广泛交流与推广,自国外第一座面膜堆石坝建成以来,国内尚未建成一座高面膜堆石坝,而我国水电清洁能源的需求、许多深覆盖层坝址与黏土防渗体取土受到环境生态制约的状况,需要高面膜堆石坝发挥其作用,相应的设计分析技术需要较系统深入的研究梳理和集成。概述了该坝型关键技术研究的初步成果,包括高面膜堆石坝的周边夹具效应与设计方法、面膜双向拉伸分析方法、数值精细模拟方法、非散粒体面膜垫层技术、膜顶胀损缺性状量化分析方法。     

高面膜堆石坝发展的需求与关键技术

面膜堆石坝是指上游坝面用土工膜防渗的堆石坝。综述了面膜堆石坝半个世纪以来的发展状况,分析了该坝型的特点及该坝型技术在我国的使用现状与需求:面膜防渗结构具有渗透性低微、差异变形适应性强、施工简捷、工期短、造价低等特点;由于国外专利保护等原因,面膜堆石坝技术未能如面板堆石坝和碾压混凝土坝那样广泛交流与推广,自国外第一座面膜堆石坝建成以来,国内尚未建成一座高面膜堆石坝,而我国水电清洁能源的需求、许多深覆盖层坝址与黏土防渗体取土受到环境生态制约的状况,需要高面膜堆石坝发挥其作用,相应的设计分析技术需要较系统深入的研究梳理和集成。概述了该坝型关键技术研究的初步成果,包括高面膜堆石坝的周边夹具效应与设计方法、面膜双向拉伸分析方法、数值精细模拟方法、非散粒体面膜垫层技术、膜顶胀损缺性状量化分析方法。     

高面膜堆石坝面膜局部顶破、刺破概率分析方法——高面膜堆石坝关键技术（六）

针对堆石坝面膜与垫层颗粒间接触状态存在较大的随机性和无序性的问题,结合土工膜材料力学强度与抗顶破、刺破能力之间的关系,建立了一种简化条件下计算土工膜发生局部顶破、刺破概率的方法,并分析了垫层颗粒不同粒径、不同压力与土工膜局部顶破、刺破概率之间的关系,同时以某面膜防渗堆石坝为例,给出了在土工膜整体受力变形条件下堆石坝面膜防渗结构安全概率的分布情况。分析结果表明:压力越大、颗粒粒径越大,土工膜发生顶破、刺破的可能性越高,并且由于局部土工膜所受到的不平衡力的方向的不确定性,所以土工膜发生顶破、刺破的概率与颗粒粒径和压力具有明显的两段函数关系。     

高堆石坝面膜防渗体非散粒体垫层工程特性试验——高面膜堆石坝关键技术（五）

针对传统土工膜垫层材料不能满足深覆盖层上高堆石坝面膜防渗体稳定性及适应变形要求的问题,采用室内渗透系数、抗压、抗弯折、直剪及结构模型试验等方法对一种新型多孔垫层材料——聚合物透水混凝土的透水性能、基本力学特性、界面抗剪强度及适应坝体变形能力等工程特性进行了一系列试验研究,并与传统无砂混凝土垫层材料的工程特性进行了对比试验与分析。试验结果表明,聚合物透水混凝土在具有较高强度和透水性的同时,还具有较低的弹性模量和显著的韧性特征,相对无砂混凝土具有更强的适应坝体变形能力,更适合用作深覆盖层上高堆石坝面膜防渗体垫层。     

高面膜堆石坝受力变形特性及结构设计研究

高堆石坝的一个显著特点是坝体结构变形较大。为了研究土工膜在坝体结构大变形条件下的受力变形特性,结合国外某土工膜防渗高堆石坝,采用有限元通用软件ABAQUS建立三维模型,对其进行仿真数值模拟,研究了坝体在竣工期及正常蓄水期的受力变形特点,对正常蓄水期土工膜不同锚固方式下的应力及应变进行了分析。结果表明:坝体水平位移及沉降位移符合一般规律;与普通式锚固相比,采用包裹式锚固可有效改善土工膜的受力状态。针对高堆石坝结构变形较大的特点,将上游坝坡设计为拱向上游的"凸面",凸出的矢高与水压力作用引起的变形量"相近",从而改善土工膜的受力变形特性。     

PVC膜应力松弛特性

荷载作用下高面膜堆石坝周边缝处坝体或坝肩的差异位移造成PVC膜处于大变形拉伸状态。为了探究差异位移稳定后PVC膜大变形状态下的力学特性，设计试验方案展开了PVC膜室内应力松弛特性试验，并监测了初始延伸率分别为50%、80%和125%状态下拉力值的变化；在试验数据分析成果的基础上，运用广义Maxwell和分数阶两种模型分别描述了PVC膜应力松弛规律，对比分析了模型的优劣。结果表明：分数阶模型可更精确地描述和预测高面膜堆石坝周边缝处PVC膜长期单向拉伸变形状态下的应力松弛性能，选用长时间序列应力松弛试验数据验证了模型预测应力松弛成果的准确性。应力松弛后试样断裂延伸率衰减较大，建议在设计施工时采取工程措施保证膜防渗结构的安全性。研究成果可在高面膜堆石坝周边缝处面膜结构设计方案时参考使用。     

堆石坝防渗土工膜界面力学特性的直剪试验方法探索

堆石坝的土工膜与面板联合防渗结构中,土工膜与相接触的垫层材料之间的界面力学特性是关系坝体稳定性的关键因素。首先介绍了传统的土工膜界面力学特性直剪试验设备、试验原理及方法,并指出其在界面接触摩擦真实应力计算过程中的不足之处;然后,对传统的试验设备进行了改进,并对比分析了多种不同工况条件下2种试验设备的测试结果;最后,通过理论推导给出了传统试验测试方法中土工膜与界面之间真实剪切应力的修正计算公式,并进行了试验验证。结果表明新的土工膜接触剪切应力计算公式,能够在不改变传统试验测试方法的基础上,给出土工膜界面剪切作用下的真实应力结果。     

土工膜软岩堆石坝变形监测研究

南欧江六级大坝是我国投资已建成的软岩填筑比例最大、坝高最高的土工膜防渗堆石坝,最大坝高达85 m,正确认识该类型坝的位移变形和应力特征以及土工膜防渗体受力变形规律,对同类型大坝的建造及安全评估具有重要的意义。本文以南欧江六级大坝监测数据为基础,结合有限元计算成果,对土工膜防渗堆石坝的变形规律及土工膜的受力状态进行系统分析和总结。分析结果显示,实测资料分析结果与有限元计算成果存在差异。在坝体变形方面,由于下游侧软岩填筑,监测资料显示坝体沉降位移在坝体下游侧较上游侧大,而有限元计算结果显示上游侧与下游侧沉降量相差不大,且有限元计算沉降及水平向位移均较实际变形及位移量大;在土工膜受力变形方面,两种分析结果规律性存在差异,两种方法计算受压区域相同,但受拉区域结果正好相反。原型监测分析成果表明,南欧江六级土工膜防渗软岩堆石坝,自蓄水两年以来的工作状态正常,其设计经验和监测成果可以为同类工程提供有益借鉴。     

高面膜堆石坝关键设计概念与设计方法

针对高面膜堆石坝的特点,分析高面膜堆石坝防渗面膜变形原理和几种主要防渗面膜材料的变形特点,阐述防渗面膜选择与设计、防渗面膜铺设设计以及周边锚固设计等方法。梳理和分析防渗面膜变形安全校核方法,提出较为系统的面膜变形安全校核方法;指出以往研究中关于颗粒垫层上防渗面膜液胀变形校核方法存在的问题,提出了比较符合工程实际且易于工程设计应用的液胀变形校核方法。     

复合防渗面板堆石坝三维有限元分析

提出了一种新的堆石坝防渗结构,即复合防渗面板,并采用三维有限元方法对复合防渗面板堆石坝的应力、变形进行模拟计算分析,通过对坝体位移、坝体应力、钢筋混凝土面板挠度及应力、复合土工膜的变形的计算,得出了有价值的结论,为复合土工膜及复合防渗面板的推广应用提供了理论参考依据。     

深厚覆盖层上复合土工膜防渗体受力特性分析

分析土工膜防渗受力变形特性,有助于了解防渗体系在可能的不良情况下是否能够安全运行,进而掌握大坝结构安全运行状况。研究符合土工膜的受力特性属于材料与边界条件的双重非线性问题,采用非线性有限元对双河水库复合土工膜防渗体受力特性进行分析,对坝体力学特性和变形规律进行研究得出:复合土工膜与粗粒垫层结构面应力-应变关系属于应变软化型,符合一般应力应变规律,在可能的不良情况下,大坝应力、变形都在安全允许范围内,大坝结构安全符合设计要求。     

高面膜堆石坝周边的夹具效应机制与消除设计方法——高面膜堆石坝关键技术(二)

针对在一定水深下,面膜周边锚固处将形成"面膜夹具"进而产生影响面膜安全的夹具效应这一高面膜堆石坝研究和设计中首先需面对的关键技术问题,在材料试验和工程结构分析的基础上分析了形成夹具效应的机制,提出了产生夹具效应的必要条件和充分条件;模拟工程实际设计了面膜堆石坝周边锚固处夹具效应的室内结构模型试验,初步试验验证了按常规设计的传统膜铺设方式难以避免夹具效应的产生;在充分考虑实际施工工艺的基础上,以夹具效应产生的充分条件为切入点提出了消除夹具效应的设计思路为:在保证面膜免受损伤条件下增大"面膜夹具"间的初始标距,在坝体位移过程中设法使"面膜夹具"间面膜的有效几何变形取代材料变形;设计方法是将铺膜线平面设置高于锚固线平面,坝面位移后使铺膜线回到锚固线附近。     

土工膜面板软岩堆石高坝设计

老挝南欧江六级水电站挡水建筑物为土工膜面板堆石坝,该坝为目前世界上最高的土工膜面板堆石坝,也是软岩填筑比例最大的面板堆石坝。坝体设计以现场碾压试验和室内试验进行的板岩堆石料物理力学特性研究为基础,进行坝体分区设计和调整,提出合理的坝料碾压填筑标准,结合土工膜柔性防渗体系设计,系统的建立土工膜面板软岩堆石高坝设计流程。经应力变形和渗流计算分析,坝体分区设计合理。蓄水后,监测数据表明坝体各项指标正常,坝体变形在允许范围内,土工膜防渗效果良好。     

定向爆破堆石坝应力变形特性研究

结合实测数据与数值模拟方法对某定向爆破堆石坝体结构在不同阶段的应力变形特性进行了分析,探讨定向爆破堆石坝的应力变形规律,并重点讨论了爆破堆石体和防渗结构的力学行为。对比分析表明:不同于常规坝体的最大沉降位于坝体2/3部位,爆破堆石最大沉降发生在爆破堆石体顶部,爆破堆石及坡积物的可压缩性是其产生较大沉降的主要原因。在此基础上,分析了爆破堆石体沉降对防渗结构应力变形的影响。结果表明:由于筑坝材料组成复杂、力学特性相差较大,导致大坝局部出现一定的不均匀沉降。700 m平台以下的反弧处出现较大的变形和应力,对沥青混凝土防渗斜墙变形造成较大影响。此外,库水位的抬升使沥青混凝土斜墙的应力和变形规律发生了较大变化,防渗体应力和变形明显增加。研究得出的定向爆破堆石坝的应力变形规律,较为全面、真实地反映了定向爆破堆石坝的爆破堆石体、坝体及防渗体的运行性态,同时也对高面板堆石坝、软岩筑坝、弃渣坝、滑坡及堰塞体等大变形结构体的安全性态研究具有一定的参考价值。     

塘房庙水库堆石坝平面非线性有限元分析

规范规定土工膜作为防渗体材料只能应用在Ⅲ级及以下的低坝，本文采用平面非线性有限元方法对土工膜作为防渗体应用于中等高度的心墙坝作了分析，通过对坝体最大剖面在竣工期和正常蓄水期两种工况下的坝体位移应力，土工膜的受力及变形，坝坡稳定的分析，得出了有价值的结论，为土工膜的推广应用及复合土工膜心墙坝的设计提供了理论参考依据     

混凝土心墙堆石坝加固施工模拟

针对某在建的混凝土心墙堆石坝,基于ABAQUS平台开发了模拟堆石体非线性关系的邓肯-张E-B和E-ν子程序,用于模拟混凝土心墙堆石坝加固施工过程。通过3种计算方案对该心墙堆石坝加固填筑及蓄水全过程进行三维仿真模拟,结果表明:防渗体造孔部分的施工质量对现浇防渗体的应力～变形性状影响较大,应尽可能提高防渗体造孔部分的施工质量;防渗墙弹性模量采用上限值或采用下限值计算得出的结果都与防渗墙实测值比较接近,说明采用上限值及下限值计算出的结果范围可以合理预测防渗墙的真实变形。所得结论为该心墙堆石坝的加固施工效果评价及后期监测方案的优化提供了依据。     

地震作用下复合土工膜心墙堆石坝应力变形分析

复合土工膜心墙堆石坝是为了防止堆石坝渗流和应力变形问题而设计的一种新型坝体。以白龙江某复合土工膜心墙堆石坝为例,建立三维有限元模型,并利用MIDAS/GTS大型岩土分析软件,对正常蓄水期、正常蓄水期加8度地震烈度和无膜情况三种工况下坝体和复合土工膜心墙的应力变形进行了模拟,分析了地震作用下复合土工膜对坝体应力变形的影响。比较发现,复合土工膜在很大程度上抑制了坝体的应力变形。     

狭窄河谷中的高面板堆石坝长期应力变形计算分析

根据已建面板堆石坝的竣工后沉降变形规律和室内大型三轴流变试验结果,提出了堆石体长期变形流变模型.对建设在狭窄河谷中的九甸峡混凝土面板堆石坝进行了三维应力变形分析,考察了三维效应、堆石体流变等因素对大坝长期应力变形特性的影响.结果表明,狭窄河谷岸坡对坝体存在拱效应,减小坝体应力,同时,由于右岸坡度缓于左岸,右岸侧坝体较左岸侧存在更大的朝向河谷中心的位移.拱效应也阻碍了面板的弯曲和沉降变形,使靠近岸坡的面板接缝拉开和错动,并可能导致河床段面板中上部发生挤压破坏.坝体流变变形增大了面板挤压破坏的可能性.库水推力导致面板在挠曲的同时发生顺岸坡向拉伸,坝体的后期流变变形则可减小或改变面板的拉伸状态.     

混凝土面板堆石坝地基防渗墙塑性损伤数值分析

在坝体填筑和水库蓄水作用下,防渗墙工作和受力条件复杂,可能产生塑性应变和墙体开裂。本文结合实测资料和数值分析,研究面板堆石坝深覆盖层地基防渗墙的应力变形和损伤特性。在基于实测资料分析防渗墙应力变形特性的基础上,采用混凝土塑性损伤模型,建立防渗墙应力变形及损伤特性的三维数值计算模型。数值模型考虑坝体和地基渗流-应力耦合效应及墙体与覆盖层的接触效应,真实模拟坝体填筑和水库蓄水过程。在采用实测资料验证数值计算结果的基础上,结合实测和数值结果深入分析了面板堆石坝防渗墙的受力机制及其应力变形和损伤开裂特性,讨论了防渗墙位置、材料、坝体和地基渗流-应力耦合作用对墙体力学特性的影响。研究结果对面板堆石坝防渗墙建设和结构安全控制具有一定的指导意义。