胶结砾质土心墙坝应力变形及裂缝扩展研究

心墙拱效应是威胁超高心墙堆石坝安全的一个重要因素．通常采用心墙掺砾来减弱拱效应，但即便是掺砾情况下超高砾质土心墙堆石坝往往仍存在较大的心墙拱效应，且过多掺砾易形成渗流通道，不利于大坝防渗．考虑向砾质土中加入固化剂来制备胶结砾质土心墙料，以提高其变形模量，减弱心墙拱效应．以西南某高堆石坝为例，对不同固化剂掺量下胶结砾质土心墙堆石坝开展应力变形有限元数值模拟，分析胶结砾质土心墙坝的应力、变形等性态；同时，采用扩展有限元法(XFEM)分别对心墙上、中、下3个部位预设的裂缝进行正常蓄水期及水位超坝顶两种工况下的裂缝扩展模拟，以分析固化剂掺量对胶结砾质土心墙裂缝扩展的影响．结果表明：心墙固化剂掺量的增加可有效减弱大坝心墙拱效应，改善心墙抗水力劈裂性能；坝体应力水平及位移变化率均随着固化剂掺量的增加而减小，在一定程度上避免坝体因剪应力过大或变形不协调而发生破坏；心墙上部预设裂缝更易发生扩展，固化剂的掺加可有效抑制心墙裂缝的扩展，避免形成渗流通道．可见，胶结砾质土可为超高堆石坝心墙坝料选择提供一种新的可能．     

全风化玄武岩防渗料可行性试验研究

为高质高量解决水利水电工程土石坝防渗料的就地取材问题,结合杉树堡水库工程,开展了全风化玄武岩作为土石坝防渗土料的可行性试验研究。根据全风化玄武岩分布特征和性质,结合相关技术规范,通过对风化土料的物理力学性质及渗透性质,进行试验研究。研究表明:全风玄武岩土料为高液限含砾粉质黏土,无膨胀性;其有机质和水溶盐含量符合心墙坝防渗土料质量技术要求;风化土料压实后,最大干密度较低、最优含水率高、压缩系数较低、压缩模量较高,渗透系数和抗剪强度满足规范对防渗料要求,可以作为土石坝防渗料。     

心墙坝坝坡稳定性对于邓肯E-B模型参数的敏感性研究

针对目前包括心墙坝在内的土石坝坝坡稳定敏感性研究存在的不足,从稳定和变形密切相关的角度出发,将对坝体变形较为敏感的模型参数考虑到稳定分析当中去,提出了一种新的研究思路.同时结合心墙坝工程实例,研究其上、下游坝壳及心墙土石料E-B模型参数对于坝体应力应变及坝坡稳定的敏感性.结果表明,不同部位、不同的模型参数对于坝体应力应变与坝坡稳定的敏感程度是不同的,对坝体应力应变较为敏感的模型参数对坝坡稳定同样具有较显著的敏感性.     

较高土石坝膜防渗结构设计方法探讨

根据不同防渗体位置的土石坝受荷位移规律与土工膜受力变形特点,分析了坝内土工膜的变形机理,并以四川瀑布沟186 m的心墙堆石坝为例,提出了土工膜与土心墙联合防渗的思路及设计原则.分析表明:坝内绝大部分区域的土工膜能够承受坝体位移引起的变形,但在刚性锚固部位,由于“夹具效应”,土工膜可能会产生局部过大变形而发生破坏;对于高水头土石坝,土工膜尤其适用于存在缺陷的黏性土料心墙的联合防渗;四川瀑布沟186 m的心墙堆石坝,如果采用土工膜与土心墙联合防渗设计方案,则不仅可以提高防渗安全的可靠性,而且与原设计方案相比,技术上更先进,经济上更合理.     

粘性土抗拉特性的测量和对土石坝裂缝的初步研究

本文介绍了采用土梁弯曲及轴向拉伸的方法,对三种筑坝粘土及一种筑坝壤土进行 抗拉性能试验的结果,并对某工程坝体用有限单元法进行了初步的应力分析。计算结 果表明,土石坝心墙在某些条件下,例如坝壳填筑质量低劣或坝肩基础处理不妥,便可 在坝顶或坝肩产生拉应力和拉应变：当这些数值超过心墙土料的抗拉极限时,就会产生 纵向或横向裂缝。上述研究工作,初步定量说明了土石坝产生张拉裂缝的原因,     

深厚覆盖层塑性混凝土心墙坝应力变形特性研究

云南省某土石坝采用塑性混凝土心墙作为坝体防渗结构,该坝坝址处覆盖层较厚,且左右岸的覆盖层厚度分布不均匀.在该覆盖层较厚的软弱地基上筑坝,心墙易产生不均匀变形,严重时会导致墙体产生裂缝,降低坝体防渗效果.基于此,本文采用三维非线性有限元法计算分析了坝体和心墙在竣工期和运行期的应力变形特性,并研究了不同覆盖层厚度对其应力变形的影响.计算结果表明:在深厚覆盖层上筑坝会导致坝体沉降量偏大,约占坝高的1.37%,且坝体与心墙会产生明显不均匀变形;在竣工期和运行期,坝体和心墙内基本处于受压状态,局部存在拉应力区,但拉应力较小,小于土体和塑性混凝土的抗拉强度;覆盖层越厚,坝体和心墙的变形越大,但覆盖层厚度对坝体和心墙的应力影响不大;经验证,该坝心墙发生挠曲破坏、拉剪破坏和水力劈裂的可能性较小,防渗系统具有足够的安全性.据此,建议设计与施工时,可以考虑对坝基覆盖层进行固结灌浆,以减小坝体和心墙的沉降以及不均匀变形.     

击实土单轴抗拉强度试验研究

黏性土体内的裂缝产生与其抗拉强度有关.在分析土石坝心墙水力劈裂、地基裂缝等问题时,考虑抗拉强度对深入研究土体应力变形特性有重要意义.对3种不同土料的击实试样进行了抗拉强度试验,其中,1种土料为塑性相对较高的黏土,另2种为砾质黏土.通过试验,研究了各种土料在不同击实功、试样由非饱和变化到饱和状态、不同制样含水率时的抗拉强度.结果表明,黏性土的抗拉强度随着击实功的增大而增大;试样由非饱和变化到饱和状态后,其抗拉强度大幅降低;在同一击实功下,土体的抗拉强度随着制样含水率的增加而减小.     

填筑形象对土石坝结构性态影响的精细有限元分析

利用数字大坝施工技术,考虑实际施工质量的空间差异性带来的坝料模型参数在空间上的差异性,通过土石坝模型参数空间估计及任意单元赋值,构建精细三维有限元模型;进而以某心墙堆石坝为例,分析在实际施工进度滞后情况下,为了在汛前填筑到度汛高程,采用不同填筑进度方案对心墙堆石坝施工期应力变形的影响。结果表明,不同施工进度形象面貌对坝体水平位移影响较大,而对竖向位移和应力影响较小。     

深厚覆盖层上高土石坝的动力反应特性研究

以相同尺度和相同材料的建造在深厚覆盖层上直心墙土石坝和直接建设在基岩上的直心墙土石坝为例，采用二维动力有限元程序对比和分析了强震区两种高土石坝的静应力分布和动力反应的差异。计算结果表明，设计深厚覆盖层上直心墙土石坝时，大坝自身的动力稳定设计标准可直接采用建设在基岩上的直心墙土石坝的设计标准，而静力稳定问题应加强大坝坝脚以及心墙两个底角部的防护。     

寺坪水电站大坝垫层料试验初步研究

寺坪电站砂砾石坝垫层料原设计采用河床砂砾料经筛洗后上坝,但经碾压试验证明筛洗料渗透不能满足设计要求,采用掺配细料组织了施工,并对半成品及成品料的渗透变形进行了试验初步研究。     

瀑布沟砾石土心墙堆石坝变形分析

瀑布沟水电站为砾石土心墙堆石坝,最大坝高186m,为目前国内最高砾石土心墙堆石坝.以瀑布沟水电站砾石土心墙堆石坝施工期、蓄水期变形监测资料为基础,对其典型监测断面变形特征进行了探讨.分析结果表明,施工期各测点沉降测值随填筑高程的升高发展较快,运行期随时间发展较慢,水位对沉降变形有影响且有一定的滞后性,心墙整体变形规律性良好,下游堆石区的沉降变形以次堆石区为最,过渡料区次之,反滤料区较小,坝体下游堆石区变形不协调,这是瀑布沟大坝坝顶出现浅表裂缝的主要原因.该结论对土心墙堆石坝设计和施工有一定的指导意义.     

非饱和砂土有效应力增量的试验研究

为了解土层有效应力增量对地基沉降的贡献程度,进行了非饱和砂土在不同轴向荷载和围压作用下的饱和试验、静载试验和莫尔-库伦应力分析,得到了砾砂土和圆砾土在饱和状态下的天然重度、黏聚力及内摩擦角等主要物理力学指标,利用这些指标计算得到有效应力增量值及其沉降贡献量.试验结果表明:与砾砂相比较,圆砾土的饱和度更易达到100%,其饱和重度较砾砂大,孔隙率和含水量却较砾砂小.对于饱和砂土,由有效应力法计算出来的主应力值大于由总应力法计算出来的主应力值,所得内摩擦角和黏聚力比用总应力法得出的结果更加合理.另外,有效应力增量对基底沉降的贡献不可忽略.     

西域砾岩砂砾料沥青混凝土心墙坝湿化变形数值分析

我国新疆地区广泛使用西域砾岩砂砾料作为筑坝材料,由于西域砾岩砂砾料浸水后易软化、崩解,大坝蓄水后的湿化变形分析成为工程界广泛关注的问题.联合广义塑性模型和西域砾岩砂砾料湿化模型,对某沥青混凝土心墙坝进行了湿化变形有限元分析.结果表明:广义塑性模型和西域砾岩砂砾料湿化模型能够很好地反映大坝湿化变形及应力分布规律;上游蓄水湿化使坝体向上游方向的水平位移和沉降都增大,最大水平位移由竣工时的1.5cm增至22cm左右,最大竖向沉降由竣工时的0.17%坝高增至0.53%坝高,筑坝料的湿陷使心墙的变形也增大;西域砾岩砂砾料的湿化变形明显大于花岗岩堆石料,最大竖向沉降是花岗岩堆石料的近3倍,其湿化造成坝顶上游侧出现局部拉应力区,有可能导致坝顶出现裂缝.因此,在新疆干旱地区采用西域砾岩砂砾料筑坝时考虑蓄水时的湿化影响是十分必要的.     

一个基于砾质土的改进椭圆-抛物双屈服面模型

针对椭圆-抛物双屈服面模型,对其屈服面的硬化准则及其对砾质土的适用性进行分析和讨论,在此基础上,对椭圆-抛物双屈服面模型进行改进,采用幂函数关系式反映椭圆屈服面的硬化准则,并对抛物屈服面的屈服方程进行修改.采用改进的双屈服面模型对砾质土三轴试验的应力应变曲线进行模拟验证,模拟表明,改进的椭圆-抛物双屈服面模型更好地反映了砾质土的应力应变特性.     

堤(坝)基层状粗粒土发生渗透变形的颗粒运移规律

堤(坝)基常出现强弱互层的土层结构,具有代表性的主要由强透水砂砾石层、弱透水细砂层和强透水砂砾石层组成,渗透时各土层微观的颗粒运移规律对于揭示堤(坝)基渗透变形和破坏机理至关重要。采用三维颗粒流程序并结合"反演模拟法",准确对颗粒细观参数进行了标定,有效的模拟了该多层堤(坝)基渗透变形的发展过程,获得了堤(坝)基渗透变形过程中的颗粒运移特点及颗粒流失情况。结果表明:渗透破坏主要发生在上部砂砾石层中,随着渗透破坏的持续发生,逐渐影响下部土层,该层中细颗粒在粗颗粒孔隙间移动而后逐渐流失,属于典型的管涌破坏。中间细砂层在上部砂砾石层管涌破坏后,其颗粒最先在管涌口正下方Z4区发生流失,其余区域颗粒流失相对较晚,且颗粒流失量均随着计算时间步的增加而增加,导致细砂层出现小范围的变形。随着计算时间的增加,上部砂砾石层的下沉量是逐渐增加的,当上部砂砾石层细颗粒流失达到一定程度,堤(坝)基发生破坏,将对上部建筑物产生重大危害。为从微观角度认识多层堤(坝)基流渗透破坏提供了一定参考。     

湿化作用对粘土斜心墙坝应力变形影响

在坝体粗粒料湿化变形室内试验研究成果的基础上,结合粘土斜心墙坝蓄水变形及实际运行中存在的问题,进行了有限元仿真计算.分析结果表明,在蓄水湿化变形后,坝体的最大沉降区域向心墙上游侧偏移,上游侧坝体围压显著降低,坝体上游侧应力水平增大.这与大坝变形规律较吻合,由此可知,文中所示方法是可行的,研究成果具有一定的工程参考价值.     

一种在覆盖层上建造拱坝新措施的可靠性分析

针对中国山区河道中小型拱坝在不开挖覆盖层下坝基渗透变形问题,以金盆电站拱坝为例,采用三道防渗墙联合高压旋喷灌浆的措施进行基础处理.运用Comsol Multiphysics数值模拟方法,对拱坝的坝体和底部防渗墙进行三维有限元应力研究.结果表明:在各种控制工况下,坝体及坝基防渗墙在上、下游面最大拉应力分别为0.6、0.55 MPa,最大压应力分别为5.0、7.0 MPa,应力分布均在合理范围0.8～8.0 MPa以内.将该措施下的大坝位移情况与观测数据分析对比,得出位移耦合模拟结果与实测数据坝顶测点LD1-LD2、坝底LD3-LD4二者的水平位移相对误差仅为(5.9％,8.0％)、(5.8％,6.0％);垂直位移相对误差仅为(5.9％,5.8％)、(6.3％,5.8％),各时段坝体变形数值大小均在允许误差10.0％以内,分布规律满足要求,在该措施下大坝处于安全可控.     

瀑布沟土石坝心墙应力变形分析

根据瀑布沟土石坝的三维弹塑性有限元的计算结果，着重分析了宽级配土质心墙的变形和应力特点。为改善它们的变形和应力状态，文中提出了一些建议。另外，文中还简介了分部屈服弹塑性模型和一个新的湿化计算模式。     

黄河黑山峡小观音坝址高地应力问题探讨

从区域应力场、勘探平硐变形特征、岩体原位试验、弹性波速度测试、地应力量值和岩芯饼化诸方面讨论了小观音坝址区的地应力特征，认 了该坝址不存在高地应力问题，钻孔ZK136岩芯研究表明，它不 芯饼化的条件也不具备饼状岩芯的特征，因此不能表征高地应力的特征。