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。     

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。     

基于非线性有限元的马吉拱坝整体稳定分析

马吉水电站是怒江开发规划中的重要梯级电站。最大坝高为290m,属于超高拱坝,地质条件与岩体力学环境复杂,其应力和坝肩稳定对确保工程安全具有重要的意义。基于非线性有限元分析,采用变形加固理论,使用三维非线性有限元程序TFINE,对马吉拱坝进行三维弹塑性有限元数值模拟,对该拱坝在正常工况下的位移、坝体应力和拱端推力进行分析。采用余能范数对马吉拱坝的整体稳定性进行评价,采用不平衡力对左右坝趾及基础中峰值振动速度回归趋势对比软弱带的稳定性进行分析,并对软弱带进行敏感性分析。结果表明,马吉拱坝的位移、应力和超载稳定能力均达到稳定要求,马吉拱坝现施工方案基本可行。     

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。     

变形加固理论及高拱坝整体稳定与加固分析

发展和完善了变形加固理论;提出结构失稳的严格定义及其集合逻辑表述,发展了基于塑性余能及其变分的结构稳定性判剧;完善了最小塑性余能原理的证明,指出它是结构平衡条件、变形协调条件和本构关系的集中体现.提出结构整体稳定性可以用结构整体安全度与塑性余能的关系曲线来描述的新思路,并应用于高拱坝整体稳定性评价.结果表明,变形加固理论为评价高拱坝的整体稳定性、坝踵开裂、坝趾锚固、断层加固等高拱坝关键技术问题提供了统一和实用的理论框架和基础.     

拱坝基础不对称性影响研究

结合国内外一些由于两岸基础不对性造成拱坝的影响实例，基于多次的地质力学模型试验和三维有限元计算分析，就锦屏一级高拱坝地形、地质条件不对性对拱坝整体稳定的影响和加固措施的选择进行了探讨。试验和数值结果均显示：上游坝踵拉应力偏大，下游出现拉应力。坝体应力不对称；左岸变形大于右岸，并且出现斜裂缝，超载能力偏低。通过研究，建议采用垫座及锚索等加固措施，使大坝整体处于平稳状态。     

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。     

基于非线性动力分析的隧洞稳定性评价

随着地下洞室工程建设的增多,在复杂地质条件及动力条件下的地下洞室的稳定性受到越来越多的重视,其抗震稳定性及加固设计成为保证工程安全运行的重要课题。基于变形加固理论和过应力概念,提出采用塑性余能范数及不平衡力时程评价结构整体稳定性及局部失稳的分析理论。基于三维非线性有限元动力分析,提出适用于地下工程结构抗震稳定性评价的分析方法,并在三维非线性有限元程序TFINE中实现。地下工程结构稳定性的最危险状态通过塑性余能范数时程曲线来确定。通过不平衡力大小及分布的时程变化来确定容易破坏的部位,同时也可以为支护设计提供指导。对隧洞模型的应力位移反应做了分析,并将屈服区与不平衡力分布进行对比,并分析有、无衬砌对结构稳定性的影响。计算结果表明,不平衡力可以直观地表示结构的局部失稳情况,比采用位移、应力和围岩屈服区评价隧洞围岩稳定性更为准确、有效,塑性余能范数可以定量评价隧洞围岩的整体稳定性及围岩衬砌效果。     

拱坝建基面开挖过程中不平衡力变化及处理效果研究

300 m级高拱坝建基面开挖造成的岩体卸荷松弛对高拱坝的整体稳定性影响巨大。白鹤滩拱坝左岸建基面开挖至628 m高程时也出现了卸荷松弛、结构面错动等现象。基于变形加固理论,提出了使用不平衡力作为坝基岩体松弛卸荷的定量判据,阐释了不平衡力分析岩体开裂与坝基卸荷时效松弛的理论基础,通过试验和数值模拟的对比说明了不平衡力应用于卸荷松弛判据的准确性。使用三维非线性有限元程序TFINE,对白鹤滩拱坝原始地形和开挖过程进行精细模拟,分析了开挖过程中建基面基础(尤其是结构面)的卸荷松弛演变过程。分别对无基础处理、预留保护层和施加锚索情况下的开挖卸荷松弛进行了研究分析。模拟结果表明,在开挖到630 m高程时,在结构面交汇处和坡面出露段附近结构面的不平衡力与屈服区出现集中情况,这与观测到的建基面卸荷松弛以及结构面出现错动裂缝等现象符合;继续开挖过程中,LS331、LS3318不平衡力较大,相对比较危险。另外,坝体底部的陡坎开挖成型时,陡坎底部的不平衡力增加较明显,需减缓陡坎坡度。预留保护层和建基面锚固对控制松弛卸荷作用较小。     

高拱坝与坝肩开挖边坡的相互作用研究

我国西南地区特殊的地质构造,以及水利枢纽的高拱坝、高边坡特点,使得边坡和坝体的相互作用问题在该地区尤为突出.在弹塑性理论的基础上,提出以塑性余能范数为指标的结构稳定分析方法;指出在一定荷载作用下,弹塑性结构在失稳情况下,总是趋向于塑性余能范数最小的状态.如果塑性余能范数等于0,则表明存在同时满足平衡条件和屈服条件的协调应力场,结构稳定;如果塑性余能范数大于0,则表明不存在同时满足平衡条件和屈服条件的应力场,结构失稳.同时,基于大荷载步长下的弹塑性本构积分算法,进行岩体结构的非线性有限元分析.以锦屏一级拱坝左岸坝肩开挖边坡为对象,计算分析边坡与拱坝的相互作用.结果表明,在一定程度上拱坝拱端推力对边坡的整体稳定是有利的;边坡降强在超过1.5倍以后才会对拱坝的受力性态和整体稳定产生影响.     

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...     

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。     

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。     

基于工程类比的小湾拱坝安全评价

 将工程类比法推广到拱坝极限承载力的研究,对于小湾拱坝等超高拱坝,由于其条件复杂,工程规模巨大,简单按照规范设计是不够的,应该以已建工程为对比对象,通过类比研究确定合理的安全标准。基于相同网格尺寸、相同材料模型以及相同计算软件,以已建工程二滩和Kolnbrein加固前后作为类比研究对象,对小湾拱坝的坝踵开裂及极限承载力进行研究。以超大规模精细有限元模型精确模拟坝体的底缝和地基的地形、断层、蚀变带加固措施以及建基面卸荷带,以全面评估地质条件对极限承载力的影响。分析结果表明：小湾拱坝极限承载能力要明显强于Kolnbrein加固前后,略逊于二滩。但正常工作条件下帷幕的安全裕度不大。     

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.     

基于能量判据的盐岩库群整体稳定性分析方法

 针对能源储备地下库群整体稳定性评价,发展考虑有限元强度折减法的变形稳定理论,建立基于K-?E关系曲线的库群整体稳定性和破坏的关键判据,其中,K为强度折减系数,?E为塑性余能范数。塑性余能范数是不平衡力的范数,其大小表征库群整体稳定性;不平衡力明确展现库群失稳破坏的部位和模式。研究单储库、双储库、多储库以及金坛盐矿油气储库群的整体稳定性和失稳破坏演化规律。考虑洞径、洞距、夹层、内压、失压和布置方式等多种因素的影响,从而确定最大洞径,最小洞室间距以及库群最小稳定内压和最优布置方式。研究表明,变形稳定理论为库群整体稳定性评价和失稳破坏分析提供了一套实用而有效的理论和方法.     

光照重力坝坝基断层影响及处理的三维数值模拟

200m级光照重力坝坝踵和坝趾分别存在较大规模的断层，为了分析和评价断层对重力坝应力位移和坝基稳定性的影响，以及建坝后由于围压变化导致的断层变形模量提高对坝体的影响，对重力坝典型坝段和坝基岩体的联合作用进行三维数值模拟。对两条断层分别进行浮值分析，用强度储备系数法计算受断层影响的坝基安全稳定性，并分别模拟对两条断层进行的不同方式加固处理措施进行模拟。研究结果表明，位于坝趾的F2断层对坝体应力位移状态影响较大，也是坝基稳定性的控制性因素之一，在进行固结灌浆处理提高强度后，不仅可以提高坝基稳定性，而且可使坝体应力状态得到改善。位于坝踵的F1断层开挖并回填混凝土处理不宜过深。同时，建坝后围压变化导致断层变形模量的提高对于坝体应力控制是有利的。     

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。     

白鹤滩水电站拱坝及坝肩加固效果分析及整体 安全度评价

 白鹤滩水电站拱坝左侧坝肩断层及层间、层内错动带发育,拱推力作用下易发生剪切变形。坝基柱状节理层发育,变形模量等力学指标相对较低,表现出显著的各向异性力学特性。由于以上地质缺陷的影响,设计采取沿拱推力方向设置抗剪洞及扩挖坝基处柱状节理层岩体设置垫座的工程处理措施,以期对坝肩、坝基岩体的抗剪、传力等进行改善。采用三维非线性数值分析方法,根据实际地质信息建立三维数值模型,模拟白鹤滩中坝址主要地质现象及相关工程措施,通过坝肩、坝基岩体及坝体的应力、位移对比,定量分析主要地质缺陷的影响以及工程处理措施的效果。采用超载法、强度折减法及点安全系数法评价下坝线拱坝的安全度,为该水电站坝线比选提供技术依据和科研成果支撑。     

双曲拱坝非线性静力及稳定性研究

拱坝是一种被广泛应用于各种水利工程领域中的典型结构,它的安全受到广泛关注。借助有限差分软件FLAC3D,基于内置的2种材料模型,精确模拟拱坝浇筑、蓄水的全过程,分析正常工况的工作状态,通过容重超载法模拟大坝的破坏过程。结果表明:上下游坝肩、坝踵及坝趾处出现小范围的受剪塑性破坏区域,当加载到3倍水荷载时,坝体有局部贯通破坏区域,最先破坏的是坝踵、坝趾和上下游坝肩局部部位,破坏形式为剪切破坏。为指导大坝的建设和维护提供了参考依据。