白鹤滩拱坝谷幅变形预测及不同计算方法变形机制研究

中国已建成的特高拱坝如溪洛渡、锦屏一级等,在初期蓄水过程中均表现出了谷幅收缩的异常现象。而拱坝是高次超静定结构,对坝基变形尤其是不均匀变形非常敏感。从有效应力改变和岩体材料泡水弱化这一谷幅变形机制和边界施加位移这一计算手段出发,利用弹塑性有限元方法,计算并预测白鹤滩拱坝在初期蓄水过程中可能产生的谷幅变形,并分析了谷幅变形对大坝位移和应力的影响。结果表明:两种方法的计算结果相差很大;从有效应力改变和岩体材料弱化角度出发,白鹤滩拱坝两岸山体可能产生的最大谷幅收缩不大于40mm,且该谷幅变形不会很大程度上降低拱坝的整体稳定性,只是使坝体产生了新的应力集中区。而拱坝对施加边界位移具有很强的超载能力,但谷幅收缩对坝体应力的影响极小。对比发现,坝基不均匀变形是影响拱坝应力的关键因素。     

锦屏一级拱坝左岸边坡长期变形对坝体影响研究

我国已建成的特高拱坝逐渐由设计施工期过渡到蓄水运行期,其试验及监测成果表明,开挖、蓄水等扰动将加快拱坝枢纽区山体边坡的流变变形,这些长期变形对拱坝安全构成严重威胁。提出岩质高边坡长期变形对拱坝安全的影响分析方法,采用黏弹–塑性流变本构模型,计算锦屏一级左岸边坡在运行期的长期变形。以此变形为基础,引入极限分析的思想,提出基于边界位移法和变刚度的强度折减法,对边坡变形对拱坝的影响进行分析评价。边界位移法是在模型边界解除约束,施加固定位移,模拟边坡长期变形;变刚度的强度折减法是基于弹塑性和流变模型之间的内在联系,同时降低刚度和强度,来模拟边坡变形对拱坝影响,具有完备的理论基础。对锦屏一级拱坝左岸高边坡的长期变形进行分析预测,评价了拱坝承受边坡长期变形的安全度。研究表明,左岸边坡长期变形在一定程度上对坝体有益,流变稳定时,坝体屈服区、塑性余能范数都有减小,应力状况得到改善;拱坝可承受6倍以上的边界位移超载。因此,应重点关注应力集中等建基面局部区域对拱坝长期稳定性的影响。     

考虑非饱和渗流过程的岩体变形规律分析

蓄水初期谷幅变形异常是我国特高拱坝面临的新问题,考虑岩体从非饱渗流和到饱和渗流转变过程中的变形机制亟待研究。基于岩体从非饱和渗流到饱和渗流的过渡过程,推导岩体在非饱和渗流–应力耦合作用下的控制方程,建立非饱和岩体水力耦合模型,并应用于圆柱试件和边坡入渗过程的变形分析。结果表明:岩体从非饱渗流和到饱和渗流转变过程中,饱和度的改变是引起岩体变形的重要因素之一。研究成果对揭示特高拱坝蓄水初期坝体及山体异常变形机制具有重要的指导意义。     

高拱坝坝肩裂隙岩体的三维非线性抗震稳定性分析

在高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性分析中 ,采用传统刚体极限平衡法分析坝肩裂隙岩体潜在滑体的安全性态 ,坝肩稳定性评价未考虑裂隙岩体变形对坝体应力的影响 ,由此计算的抗滑安全系数并不能保证坝体的安全性 ;而采用基于连续介质理论的有限元法和基于碎散介质的离散单元法分析时 ,其物理数学模型和坝肩岩体的实际情况相距甚远。为此 ,本文在安全系数强度储备概念基础上提出了动抗滑变形安全系数法 ,该方法以坝体拉应力作为坝肩岩体抗滑稳定性评价标准 ,综合考虑非线性坝体和坝基节理、裂隙岩体的动静态耦合作用 ,坝肩岩体的抗滑安全系数保证了坝体的安全 ,较传统的分析方法更为科学、合理。采用该方法 ,本文将坝肩裂隙岩体作为可以考虑局部开裂、各向异性和大变形的非线性连续体用动态接触单元模型模拟 ,对在建的小湾高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性进行了三维动力分析。数值分析结果表明 ,在综合考虑坝体应力影响后 ,坝肩裂隙岩体的变形安全系数小于强度安全系数。因此 ,在高拱坝坝肩岩体的抗震稳定性评价中必须计及坝体应力的影响因素。     

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。     

溪洛渡拱坝谷幅变形机制及变形反演和长期稳定性分析

溪洛渡拱坝在蓄水后出现持续的谷幅收缩变形,且目前谷幅变形仍未收敛,对拱坝局部附属结构稳定和整体稳定有较大的影响。通过分析溪洛渡拱坝坝址区的地质条件、蓄水后监测资料变化,阐释溪洛渡拱坝谷幅变形机制,其层间、层内错动带的渗透作用和倾角走向,在谷幅收缩变形中起到了控制作用。通过考虑孔隙水压力对应力球张量和屈服面的影响,提出考虑孔隙水压力影响的弹–黏弹–黏塑非线性蠕变模型,对溪洛渡初期蓄水后变形和稳定进行了非线性有限元分析。根据蓄水初期谷幅变形的监测资料,反演岩体蠕变力学参数,预测蓄水后及长期谷幅收缩变形趋势及对坝体的影响。经过反演分析,正常蓄水位下数值计算结果与监测值吻合良好,提出的模型能较好的反映谷幅变形过程。蓄水10 a后,边坡变形趋于收敛,但整体变形量值较大,且对左右拱端的挤压显著,需要引起关注。     

高拱坝谷幅变形机制及非饱和裂隙岩体有效应力原理研究

蓄水期谷幅变形影响着高拱坝当前工作性态和长期安全状况,但拱坝设计方法中尚没有相关的评价标准。首先总结蓄水期高拱坝坝址谷幅变形规律和常规数值方法计算的难点。从裂隙水压力的作用规律出发,在弹塑性模型屈服函数中引入静水压力,并应用于锦屏一级拱坝蓄水期计算分析。计算结果与监测值符合良好,初步解释谷幅收缩等坝址区山体变形现象。探索蓄水初期裂隙岩体的细观变形机制,提出非饱和、非贯通裂隙岩体中的有效应力原理。结果表明,裂隙水压力改变岩体平衡状态,是蓄水后坝址区岩体产生塑性变形的主要驱动力。     

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.     

渗流场作用的地基变形对高拱坝结构的影响

通过三维有限元方法进行了溪洛渡拱坝渗流场分析,并采用增量荷载法研究考虑了渗流场通过地基变形作用于高拱坝结构的影响。结合溪洛渡工程,研究了渗流场对高拱坝地基变形的影响,包括横河向和顺河向两方面。对比蓄水前后,采用增量荷载法,研究地基变形增量对高拱坝结构应力和变形的影响及大小。研究成果初步表明渗流场是影响溪洛渡拱坝监测资料反映的径向往上游变形的影响因素之一,后续将深入研究岩石与水力学作用,分析和掌握因水库蓄水而产生的各类荷载以及岩石力学性质的变化,最终明晰高拱坝结构变形机理和真实工作状态。     

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

水泥化学复合灌浆技术在锦屏一级拱坝基础处理中的应用

锦屏一级拱坝地基条件复杂,断层、层间挤压错动带、深部裂缝发育,岩体卸荷强烈,拱坝基础处理成为该坝突出的关键技术问题。常规的水泥灌浆已不能完全解决软弱岩体的强度、变形、渗透等工程问题,为此,结合近年来新材料技术的发展,开展系统的水泥化学复合灌浆试验专题研究,通过"先进行水泥灌浆,再进行化学灌浆复合"的方法,证明能有效地、大幅度地提高软弱岩体的强度及抗渗性。在现场试验成功的基础上,将水泥化学复合灌浆应用于重要部位软弱岩带的处理,处理后的软弱岩带其声波、变形模量、抗渗性大幅提高,有效增强了岩体的完整性及刚度。从目前大坝三期蓄水的情况分析,水泥化学复合灌浆技术在锦屏一级拱坝基础处理中应用比较成功,较好地解决了高拱坝复杂地基处理的关键技术问题。     

拱坝–坝肩三维可变形离散元整体稳定分析

三维可变形离散元是模拟不连续介质力学行为的有效数值分析方法。由于该方法采用显式差分方法和自动接触检索技术，故尤其适合于求解弹塑性、大变形和动力问题。首先介绍三维可变形离散元的基本原理及特点，然后对拱坝–坝肩系统整体抗滑稳定进行超载仿真分析和强度折减仿真分析。分析结果表明：超载计算时，拱坝坝肩失稳可能性很小，但是，当水压超载到3.5～4.0倍时，坝体材料会出现较大范围的受压屈服；强度折减计算时，当结构面强度折减3.5倍时，拱坝左坝肩在水压和渗压的作用下开始向下游坍塌，并最终导致拱坝失去支撑而溃决。     

基于爆破累积损伤的边坡稳定性变化研究

爆破开挖所引起的邻近边坡岩体的扰动和损伤,特别是多次爆破产生的累积损伤效应,必然导致岩体力学参数弱化,是造成边坡破坏甚至失稳的重要影响因素。根据所建立的损伤模型,采用声波测试法,对边坡岩体在爆破荷载作用下的累积损伤效应进行了现场试验研究,并根据损伤研究的结果对边坡岩体抗剪强度参数进行折减;基于强度折减法和时程分析法,应用有限元软件ANSYS对爆破荷载作用下的边坡安全系数变化规律进行研究。研究结果表明:每次爆破震动的直接作用使边坡安全系数降低5.1%~12.6%,爆破累积损伤的作用使边坡的安全系数下降了35.2%,多次爆破条件下,爆破损伤对边坡安全系数的影响比爆破载荷本身的影响更大;地震波载荷作用下,随着边坡强度参数的折减,坡底节点水平最大位移也在不断增加,主要原因是由于边坡强度折减造成的塑性位移增加;爆破振动对软弱边坡稳定性的影响更加明显。     

拱坝-坝肩三维可变形离散元整体稳定分析

三维可变形离散元是模拟不连续介质力学行为的有效数值分析方法。由于该方法采用显式差分方法和自动接触检索技术，故尤其适合于求解弹塑性、大变形和动力问题。首先介绍三维可变形离散元的基本原理及特点。然后对拱坝一坝肩系统整体抗滑稳定进行超载仿真分析和强度折减仿真分析。分析结果表明：超载计算时，拱坝坝肩失稳可能性很小，但是，当水压超载到3．5-4．0倍时，坝体材料会出现较大范围的受压屈服；强度折减计算时，当结构面强度折减3．5倍时，拱坝左坝肩在水压和渗压的作用下开始向下游坍塌，并最终导致拱坝失去支撑而溃决。     

基于位移反分析的小湾拱坝稳定性评价

小湾拱坝坝体裂缝在大坝分阶段实际蓄水后开裂扩展的可能性以及裂缝对坝体应力、位移和坝体稳定性的影响,对大坝安全至关重要。通过对小湾拱坝坝体施工过程及坝体内部温度裂缝的模拟,基于多点监测资料进行非线性位移反演分析,得到符合实际的材料力学参数,进而对坝体进行三维非线性仿真计算研究,以预测坝体在下一阶段蓄水以及最终蓄水后的稳定性。结果表明,该反演分析方法反演得到的参数合理准确,预计的位移结果可靠、精度较高,能很好地对拱坝安全性进行评价;仿真分析预测成果与坝体后期蓄水后的实际监测成果和地质力学模型试验成果吻合良好,在正常水载下,坝体整体变形符合拱坝变形一般规律,同时裂缝发生开裂扩展的可能性很小;裂缝对坝体整体影响不大,对局部有影响,大坝极限开裂状态与无缝坝类似,坝面开裂均是由表面产生裂缝向内部发展,而不是由内部裂缝引发。     

田湾核电厂人工高边坡的三维数值模拟

在对岩体工程进行数值模拟分析时,岩体力学参数的确定是影响分析结果可靠性的关键步骤。由于岩体受结构面的控制,其变形和强度性质由岩块和结构面的性质共同决定。将岩块视为各向同性介质,其参数可由室内试验测得;将岩体中的结构面视为一种初始损伤,岩体变形参数通过岩块参数的损伤折减来确定。同时,利用Hoek-Brown岩体强度参数预测方程,结合RMR分类,通过弱化处理确定岩体的强度参数。将折减后的岩体变形参数和弱化处理后的强度参数用于田湾核电厂人工高边坡的三维数值模拟,对几种开挖方案进行分析对比,为最终设计提供了合理的挖坡角。     

考虑材料变形和破坏特性的强度折减方法研究

 基于材料峰后渐进破坏过程,给出符合岩土材料变形、破坏规律的边坡和坝基异步强度折减计算方法及基于Mohr-Coulomb准则的异步折减比确定方法。同时,针对岩体在不同应力状态和塑性变形程度时具有不同剪胀性能的特点,编写基于非线性ABAQUS有限元程序场变量接口的USDFLD子程序,实现剪胀角随最小主应力和塑性剪应变变化。最后,给出坝基算例分析。结果表明：(1) 水坝蓄水工作时,滑动面的应力水平明显增大,并引起滑动面岩体剪胀特性的变化,计算得到的坝基安全系数与相关联和非关联剪胀角下的安全系数均有显著差异;(2) 不同异步折减比时,坝基安全系数随异步折减比的增大而明显减小。因此,考虑岩土材料真实变形规律和破坏过程的安全系数才能正确表征边坡和坝基稳定性。所得结果可为大型边坡及坝基优化设计方案和稳定性评价提供依据。     

拉西瓦水电工程高应力坝基边坡开挖扰动 及锚固效应研究

基于对开挖与锚固等施工过程的详细数值模拟,围绕拉西瓦水电工程高应力坝基边坡开挖扰动及锚固效应问题开展深入研究,获得该高应力坝基边坡岩体应力、变形与塑性屈服区的开挖扰动特征及其断层影响效应,分析锚固支护对边坡应力、变形及屈服区的作用效果.研究表明,高应力坝基边坡存在较明显的开挖扰动带和锚固影响带;与常规地应力条件下的边坡相比,高地应力区岩体边坡因开挖导致的卸荷量值会显著增大,其强卸荷效应将使岩体的损伤程度更大;采用分步开挖并逐级锚固的方案进行高应力坝基边坡的加固支护是有效的,锚固支护不仅具有变形约束作用,而且能有效控制一定方向上的应力卸荷强度,从而可降低高应力岩体因开挖卸荷引起的损伤或破裂程度.根据上述结果,提出关于高应力坝基边坡开挖扰动与锚固问题的若干讨论和支护优化建议.作为重大工程典型实例研究,所得结果对类似高应力条件下的岩体高边坡工程具有参考意义.     

基于地质力学模型试验的大岗山拱坝整体稳定性分析

 地质力学模型试验是研究拱坝整体稳定性的有效方法,采用250∶1的模型比例尺对有基础处理的大岗山拱坝进行三维地质力学模型试验。通过小块体砌筑技术模拟裂隙岩体的变形和强度、坝基不连续结构面以及坝基处理措施;通过油压千斤顶加载系统施加坝面水荷载;采用的数据采集系统能及时、高效地测量坝面应变、坝基岩体外部位移和内部相对位移,并自动存储数据。采用超载水容重法进行超载破坏试验,得到拱坝坝体位移和应力的分布规律以及坝体和坝基岩体的开裂破坏过程。采用3个特征超载安全系数K1,K2和K3对大岗山拱坝整体稳定性进行评价。通过地质力学模型试验和基于变形加固理论的三维数值模拟对比分析表明,大岗山拱坝整体稳定性较高,并得到对拱坝–坝基整体稳定起控制性作用的部位。     

本刊2006年第8期被EI收录论文（32篇，收录率为100％）题录

NO.论文题目作者名页码1海底隧道工程设计施工若干关键技术的商榷2岩土工程稳定性分析RFPA强度折减法3湿态混凝土抗压强度与本构关系的细观力学分析4高地应力下岩石的真三轴试验研究5基于有限元强度折减法确定滑坡多滑动面方法6全库铺设沥青混凝土面板水库的抗震设计(英文) 7有效应力对煤层气解吸渗流影响试验研究8修建在砂砾岩地基上的拱坝应力分析9分级加卸载条件下软弱复杂矿岩蠕变规律研究10加锚断续节理岩体断裂损伤模型在铜室开挖与支护中的应用H串并行显式拉格朗日有一限差分法研究及实现12爆炸冲击荷载作用下重力坝三维各向异性…