堤坝溃决试验研究

近年来,由于在堤坝溃决的早期预警、应预案编制以基于风的堤坝设计方法等中的重要作用,堤坝溃决问题日渐受关注.本文介绍了在验室堤坝溃决试验中观察的堤坝溃决冲刷过程以试验分析结果.共进行了5组堤坝溃决试验,其中4组的试验材料为不同掺混比例的沙-粉沙-粘土混合料,另外1组试验材料为沙.试验堤坝高75 m,坝顶宽60 cm.试验结果示,＂陡坎＂冲刷（溯源冲刷）在由粘性混合土料填筑的堤坝溃决过程中扮演着非常重要的角色.在试验中观察了水流切冲刷、溯源＂陡坎＂表层流化、由溃决洪水射流冲击引起的＂陡坎＂基和＂陡坎＂的土力学坍失稳等冲刷象.对于沙质堤坝,其溃决过程主要由水流切冲刷主,其下游坝坡逐渐地、比较均匀地后移.沙-粉沙-粘土混合料中的粘性土部分极大地缓了堤坝溃决冲刷的速度.     

土石坝渗透破坏溃决机理及数值模拟

提出了一个能正确反映土石坝渗透破坏溃决机理,合理描述土石坝从渗透通道发展坝体坍塌和漫顶溃决全过程数值模拟方法.该方法通过分析土体颗粒在渗透通道中受力情况,出了渗透破坏发生时临界起动流速;分别建议了可合理反映筑坝材料颗粒级配、密度、强度、渗透通道倾角和坝坡、摩阻流速水流速度对冲量影响计算渗透通道扩展大坝漫顶溃决后溃口发展过程坝体冲公式.应用该方法对两座因渗透破坏溃决典型土石坝溃坝过程进行了反馈计算分析,计算出溃口发展规律、溃口流量过程与溃坝洪峰流量值与测结果接近,验证了其合理性.该方法可用于土石坝渗透破坏溃决致灾后果评估和溃坝防洪应预案制定.     

不同粘性均质土坝漫顶溃决实体试验研究

针对我国现有土石坝粘粒含量范围, 开展了国内外最高均质粘土坝漫顶溃决实体试验. 揭示了粘土均质坝“陡坎式”后退、坝顶“双螺旋流”淘刷与溃口边坡失稳坍塌的溃决机理. 并提出坝体材料的粘性(C值)对坝体溃决方式的具体影响机制. C值较大时, 坝体溃决过程缓慢, 溃口峰值流量较小, 最终溃口宽度、深度较小, 溃决过程以“多级陡坎”和“倾倒坍塌”为主要特征; C值较小时, 坝体溃决过程较快, 溃口峰值流量较大, 最终溃口宽度、深度较大, 溃决过程以“单级大陡坎”和“剪切坍塌”为主要特征.     

考虑心墙不同破坏模式的黏土心墙坝漫顶溃坝过程数学模型

基于黏土心墙坝的漫顶溃决机理,提出一个模拟其溃决过程的数学模型.该模型基于坝体形状和漫顶水流特征确定下游坡冲蚀时的初始冲坑位置,采用宽顶堰流量公式计算溃口流量,并利用溯源冲刷公式模拟坝壳料的冲蚀;通过力矩平衡法与力学平衡法分别模拟了心墙的倾倒破坏与剪切破坏;为了模拟实际溃坝情况,模型考虑了坝体的单侧冲蚀、两侧冲蚀及坝基的冲蚀;采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟溃坝时的水土耦合过程.选择国内外10个具有实测资料的心墙坝漫顶溃坝案例对模型进行验证,通过比对峰值流量、溃口最终宽度及溃坝历时等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差可满足工程需求,验证了模型的合理性.     

复杂条件下特高土石坝建设与长期安全保障关键技术研究进展

我国是世界上200 m以上特高土石坝数量最多的国家,复杂建坝条件和运行环境给这些高坝大库的建设和长期安全保障带来了严峻挑战.本文介绍了近年来我国在复杂条件下特高土石坝建设与长期安全保障关键技术等领域的主要研究进展:揭示了筑坝粗颗粒土石料力学特性的尺度效应、细观及劣化机理,建立了可考虑加载与流变耦合效应的堆石体流变计算模型;基于计算接触力学方法提出了高土石坝复杂接触系统数值模拟方法,并运用于面板坝面板损伤和心墙坝坝内廊道破损机理研究;研发了变形与渗流耦合的试验装置,进行了防渗土料渗透特性、坝体和坝基防渗系统服役性能试验;基于当量密度法提出了覆盖层密度的旁压试验方法,并进行了相关现场试验;研究提出了300 m级特高面板坝复式结构、坝体增模技术及面板设计方法;依托大石峡工程提出了特高面板砂砾石坝的安全评价和控制标准.上述研究成果已为如美心墙堆石坝、大石峡面板砂砾石坝等特高土石坝工程设计和优化等提供了重要的科技支撑.     

堰塞坝漫顶溃决机理与溃坝过程模拟

堰塞坝作为自然作用的产物,由于其自身特点,极易发生漫顶溃决.基于小比尺堰塞坝溃决模型试验与唐家山泄流现场实测资料揭示的堰塞坝漫顶溃决机理,建立了一个堰塞坝漫顶溃坝过程数学模型.模型基于堰塞坝的几何特征和坝料物理力学特性,统一分析坝顶与下游坡溃口的发展,并充分考虑堰塞体沿河流运动方向的形态变化;模型可考虑坝体的单侧与两侧冲蚀、不完全溃坝与坝基冲蚀等溃坝模式.选择唐家山堰塞坝泄流案例对模型的合理性进行验证,通比对峰值流量、溃口最终宽度、峰值流量到达时间等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差在10%以内;另外,计算获取的溃口流量过程和库水位变化过程与实测值基本吻合,验证了模型的合理性;参数敏感性分析结果显示,残余坝高、冲蚀系数等参数对溃坝过程具有重要影响,单侧或两侧冲蚀对溃坝过程影响较小.     

考虑时间效应的UH模型

分析时间对土的效应,在对现有理论和试验数据总结分析的基础上提出了瞬时正常压缩线的概念;基于蠕变规律,建立老化时间与超固结度的关系;采用UH模型(以统一硬化(United Hardening)参数作为硬化参量建立的三维超固结土弹塑性本构模型)的再加载公式计算瞬时变形,提出超固结土一维弹黏塑性应力应变关系;分析一维弹黏塑性应力应变关系的演化规律,定义特征速率并给出其与超固结参数的关系;在UH模型屈服面方程中引入折算时间,建立三维弹黏塑性本构模型.该模型在UH模型的基础上考虑时间效应,不仅能够描述土的剪切蠕变、松弛、速率效应等黏性规律,而且能够反映土的剪胀、软化等超固结性质;与修正剑桥模型相比,仅增加一个次固结系数来反映土的蠕变规律;该模型在瞬时加载条件下退化为UH模型,从而使弹塑性与弹黏塑性框架得到统一.     

金沙江上游“11.03”白格堰塞湖溃决洪水反演分析

2018年11月3日,西藏自治区和四川省交界处山体发生二次滑坡,在原残余的"10.10"堰塞体上形成"11.03"白格堰塞湖并发生溃决.相应的库容为5.79×10~8m~3,溃决洪峰流量达31000 m~3/s.为直观揭示堰塞湖的溃决过程,本文收集相应的地形、水文资料,并对现场采集的堰塞体材料进行了颗粒级配、冲蚀和抗剪强度特性试验.在此基础上采用"水科院模型"和"南科院模型"对溃决洪水流量过程进行反演分析和参数敏感性分析.结果表明,目前有关溃决洪水分析的基础理论、分析方法和程序可较合理地预测堰塞湖的溃决洪水过程.在输入的水力学和岩土力学参数中只有表征冲蚀率与剪应力关系的特征值对洪峰流量有较大影响.本研究成果可为今后同类堰塞湖应急抢险提供技术参考.     

300 m级超高堆石坝心墙砾石土力学特性试验研究

坝体的变形协调控制一直是高堆石坝设计和施工中的核心问题之一.对于300 m级超高堆石坝,由于国内外设计和施工经验较少,且用于300 m级超高堆石坝心墙防渗料的砾石土与一般砾石土力学特性存在较大差异,已有的研究成果尚不能有效指导工程实践.基于此,本文以两河口超高堆石坝心墙砾石土为研究对象,结合室内试验和现场试验结果,研究300 m级超高堆石坝心墙砾石土相关力学特性.结果表明,两河口超高堆石坝心墙砾石土具有较高压实度,其自身抗渗性能较好,可满足工程设计技术要求;通过压缩系数及压缩模量可知,所研究的心墙砾石土为低压缩性土;心墙砾石土峰值强度随围压的增大而增大,峰值摩擦角随围压的增大而减小,所得到的邓肯模型参数可为后续两河口超高堆石坝数值计算提供参考;现场试验表明两河口超高堆石坝心墙砾石土具有较高的承载力和抗剪强度,其渗透系数满足设计技术要求.本文通过相关室内试验及现场试验验证了砾石土作为300 m级超高堆石坝心墙防渗料的可行性及可靠性,研究成果可为300 m级超高堆石坝设计和工程建设提供相关试验及理论依据.     

吴家沟赤泥尾矿库初期坝稳定性分析

吴家沟尾矿库初期坝包括下部天然岩土体初期坝和上部土石混填初期坝两部分。在分析初期坝基本特征的基础上,把初期坝视作重力式档土墙结构,采用极限平衡法计算堆积坝对初期坝的静止土压力和主动土压力,应用抗剪强度公式分析上部初期坝与基岩之间坝基面的抗滑稳定性,得到无水和有水工况下静止土压力和主动土压力作用下坝基面抗滑稳定安全系数,其安全系数值明显大于规范规定的安全系数。采用ABAQUS有限元软件对初期坝应力特征进行分析,初期坝(包括天然坝体和堆石坝体)的最大剪应力及最大竖向应力分别小于坝体的抗剪强度和抗压强度,初期坝是稳定的。     

基于广义可靠指标相对安全率的高土石坝坝坡稳定设计安全判据

坝坡稳定对土石坝安全至关重要,现行规范规定应对坝高200 m及以上的高坝坝坡抗滑稳定设计安全判据进行专门研究.现行土石坝设计规范采用安全系数作为土石坝坝坡稳定的安全判据,难以合理地考虑土石坝堆石料强度参数等不确定性因素的影响,亟需发展对应的可靠度设计方法.可靠度设计中采用目标可靠度作为安全判据,因此研究高土石坝的目标可靠度是发展可靠度设计方法的重要前提.广义可靠指标相对安全率搭建了确定性设计安全判据和可靠度设计安全判据之间的桥梁,本文将广义可靠指标相对安全率应用于超过200 m高土石坝坝坡稳定安全判据研究,验证高土石坝坝坡稳定确定性设计与可靠度设计安全判据之间的等价关系,并提出了软岩土石坝和硬岩土石坝坝坡稳定可靠度控制标准.结果发现,《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》(GB50199-2013)中规定的硬岩堆石坝的目标可靠度符合所标定目标可靠度要求,建议提高软岩堆石坝的目标可靠度.     

三峡工程泥沙问题解决途径与运行效果研究

泥沙问题是三峡工程的关键技术问题之一,在三峡工程论证、设计、建设和运行的各个阶段,针对重大的工程泥沙问题进行了系统和持续的研究,提出了相应的解决方案.本文对三峡工程采用的减缓水库泥沙淤积与保持长期有效库容的运用方式、水库变动回水区港口与航道泥沙问题治理措施、枢纽引航道与电站引水防沙布置方案、坝下游河道长距离冲刷预测、河势变化及对航道影响的对策等进行了分析总结.2003年三峡水库蓄水运用以来水库淤积和坝下游河道冲刷情况分析表明:水库泥沙主要淤积在死库容,有效库容损失较少,库区航运条件得到大幅改善;坝下游河道发生长距离冲刷,冲刷强度不断向下游发展,河势总体基本稳定;长江中下游航道经过治理,航道维护水深有了较大提高.三峡工程泥沙问题的解决方案已得到初步检验,泥沙问题及其影响基本未超出论证与初步设计的预测.本文还对今后一段时期需要进一步研究的泥沙问题提出了建议,包括水库优化调度、坝下游河道冲刷、江湖关系变化和长江口演变等.     

浮置板轨道钢弹簧隔振器动态特性参数的频率与幅值依赖性试验研究

钢弹簧隔振器的刚度与阻尼是影响浮置板轨道动力特性的重要参数.本文基于钢弹簧隔振器的室内试验,对隔振器刚度与阻尼的频率与幅值依赖性进行了研究.结果表明,隔振器的动刚度随着激振频率的增加总体趋势是增大的,但在共振频率附近,动刚度有减小趋势;等效黏性阻尼系数随激振频率增加而减小,在共振频率附近,变化幅度不大;能量耗散比则随着激振频率的增加而增大;随着激振幅值的增加,动刚度、等效黏性阻尼系数与能量耗散比均变化幅度不大.本研究可为钢弹簧隔振器设计提供参考.     

基于Hvorslev面的超固结土本构模型

基于Hvorslev面、当前屈服面和参考屈服面之间的相互关系, 提出潜在强度的概念, 并将其与特征状态应力比一起引入到统一硬化参数中来建立超固结土的本构模型. 所提出的模型能够反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩和剪胀等应力应变特性以及应力路径对它的影响, 此超固结土模型仅比剑桥模型增加了一个材料参数, 即Hvorslev面的切线斜率. 通过Fujinomori粘土的常规三轴排水试验结果证明了基于Hvorslev面的超固结土模型能够合理地描述超固结土的基本力学特性, 同时还预测了等向压缩条件的应力应变关系和不排水三轴试验条件下的应力路径.     

土的统一硬化函数的构造

弹塑性本构模型中的硬化函数在加载条件下应该与应力路径无关.本文基于两条正交的加载路径(即等平均正应力剪切和等向压缩)下的土的变形规律,构造了能够统一地描述剪缩和剪胀特性的硬化函数,称为统一硬化函数.然后根据格林公式和试验数据,分别从理论和试验的角度验证了统一硬化函数在加载条件下的应力路径无关性.最后通过与各种加载应力路径下黏土、砂土的应力应变关系的试验结果进行对比,进一步证明了统一硬化函数及其统一硬化本构模型的合理性.     

饱和砂土的渐近状态特性及其模拟

在UH（统一硬化）模型的基础上,基于部分塑性体积应变与塑性剪应变有耦合的思路,把对土塑性变形有影响的硬化参量分为耦合硬化参量和非耦合硬化参量,提出了一个新的双硬化的弹塑性本构模型．此模型新颖之处在于它不但可以有效的考虑应力路径也可以考虑应变路径对应力应变特性的影响,所以新模型既能合理预测排水、不排水,也可以模拟部分排水及部分吸水条件下的应力应变关系．结合渐近状态概念,还给出了基于饱和砂土排水试验参数计算不排水极限应力比、静止土压力系数梳的简单公式．模型参数简单,仅比Camclay模型多了一个特征状态点应力比,全部可通过常规三轴压缩试验简单确定．     

基于变形时间效应的高速铁路地基压缩层厚度计算方法

路堤荷载作用下地基变形是高速铁路路基沉降的主要来源,地基有时间效应的变形是引起高速铁路长期服役性能劣化的核心因素,掌握具有变形时间效应的地基土层区域是合理计算地基工后沉降、优化地基加固方案的技术关键.基于分形的无标度特性,确立塑性变形速率随时间的分形关系,揭示了地基土变形随荷载水平呈现快速稳定、长期稳定、长期破坏和快速破坏的四种演化状态类别,提出了表征变形速率变化快慢的土体变形状态"分维数判别法";开展了单元结构填土模型和三轴流变试验,获得了中低压缩性粉质黏土的变形状态荷载阈值及其与抗剪强度或极限承载力的比值;基于摩尔-库伦准则,采用强度折减方法,获得了地基土变形状态强度参数,结合地基土中应力,得到了由库伦强度理论表达的变形状态控制方程,明确了地基沿深度具有时间效应变形区域的深度即为基于变形时间效应的地基压缩层厚度.提出的"时间效应法"确定压缩层厚度为进一步完善高速铁路的地基沉降计算提供了理论依据和实验支撑.     

单向偏心受压方钢管混凝土柱局部屈曲强度的解析解

对偏压作用下方钢管混凝土柱钢管的局部屈曲性能进行了理论研究.假定方钢管混凝土偏压柱的钢板的加载边与非加载边的边界条件均为固定约束,采用能量变分法推导得到方钢管混凝土偏压柱钢管局部屈曲应力的解析解.从而进一步研究了钢管的局部屈曲系数与应力梯度系数的关系,发现钢管的局部屈曲系数随应力梯度系数增大而增大:当应力梯度系数为0即轴心受压时,钢管的局部屈曲系数取得最小值即10.312;当应力梯度系数为2即纯弯受力时,钢管的局部屈曲系数取得最大值即22.713.其次,研究了不同应力梯度系数时方钢管混凝土偏压柱各钢板局部屈曲强度与钢板宽厚比的关系,从而给出了不同应力梯度系数时方钢管混凝土偏压柱各钢板合理的宽厚比限值,供工程设计参考.     

螺旋状下降的复式断面明渠中紊动结构与次生流动的数值模拟

采用正交曲线坐标下建立的紊流控制方程, 对弯道水流中由离心力和紊动应力联合驱动的二次流结构建立了数学模型. 将螺旋下降的明渠流动条件下的数值模拟结果与如下试验资料进行了对比: (ⅰ) 交错边滩式矩形断面弯道明渠流动, (ⅱ)复式断面顺直明渠流动. 计算中采用了3种不同的Reynolds应力计算方法, 包括Launder和Ying(LY)及Naot和Rodi(NR)的代数应力模型及运用非线性k-ε模型计算紊动黏性系数的SY模型, 在各种弯道曲率和边界条件下, 对不同紊流模型的二次流结构数值模拟结果精度进行了评估. 研究表明, LY和SY模型数值模拟计算得到的二次流结构和紊动应力分布与试验数据均能达到趋势上的符合, 能够模拟出紊动应力和弯道流动中的离心力对二次流结构形成的影响.     

自平衡法试桩转换系数数值试验

采用三维有限元方法对桩顶压桩和桩底托桩承载特性分别进行模拟分析,研究了自平衡静载试验法中的转换系数。分析桩长、土类对荷载传递特性及转换系数的影响。结果表明：无论是在砂土还是在黏土中,随着桩长的增加,转换系数的变化曲线均呈凹形,类似抛物线形状分布;转换系数存在着极小值,不同土类转换系数的极小值不同,在35～55m桩长范围内可能出现托桩的极限承载力大于压桩的极限承载力的情况。