均质土坝坝体材料冲蚀特性试验研究

土石坝坝体冲蚀特性直接关系到坝体是否溃决,何时溃决,是土石坝溃坝研究的核心难题.本文通过物理模型试验,对不同坝体土料冲蚀特性进行研究.基于大量试验研究,分析了土料干密度、净切应力、冲刷系数、泥沙指数等与土体冲蚀特性的关系.提出泥沙指数宜依据土料冲蚀速率和净切应力确定,而不宜设为定值1(黏性土)或者1.5(非黏性土);冲刷系数与泥沙指数呈现明确的对数关系;起动切应力对土料冲蚀速率影响权重较大;利用泥沙指数变量,可以有效地区分坝体土料的抗冲蚀能力,并评估坝体抗溃决能力.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

高混凝土坝气幕隔震控制的模拟分析理论与试验验证

针对高坝动力灾变过程控制这一核心科学问题,首次提出高坝气幕隔震控制的液-气-固三相耦合建模理论和数值实现方法,给出三相强耦合-热力学状态-材料-接触/非接触双重非线性的复杂动力学问题的理论描述和气幕隔震高坝工程的动力灾变关键效应的全过程数值模拟;给出刚性坝-平面波简化情况的解析解.完成了高305m锦屏拱坝的地震灾变过程控制与非控制的对比模拟,结果与振动台实验相互印证,基本相符.提出整体式气室和变厚度优化气幕,发展了高坝控制优化方法.首次完成大型振动台拱坝隔震的模型实验并满足基本动力相似准则,实验数据合理可信,并与模型坝的动力模拟结果基本符合,为模拟理论方法提供了实验验证.数值模型与物理模型相结合的试验表明,动水压力削减可达70%以上,坝体第一/第三主应力峰值降低20%～30%以上,有效地提高了高坝工程的整体抗震能力,表明气幕减震是高混凝土坝防震控制的优先发展方向.     

水垫塘反拱底板静动力耦合分析及安全评价

泄水建筑物水垫塘底板稳定是实现泄洪消能防冲的关键所在,反拱底板工作条件复杂,其受力和破坏过程表现为高度非线性、耦合性．针对工程实践中所关注的水垫塘反拱底板安全问题开展了系统的研究．揭示了反拱底板在复杂工作条件下的受力机理和失稳模式;研究了水垫塘内的水动力荷载特性;基于粘结滑移、非线性接触理论,提出一种适用于反拱底板结构体系的非线性耦合静动力分析方法,该方法可反映水动力荷载-底板-锚筋-基岩（拱座）的耦合作用和底板结构失稳的动态过程．该方法充分考虑了多种非线性因素及静动力耦合效应,全面揭示了水垫塘反拱底板的工作条件、受力机理、失稳动态过程、影响稳定性的关键因素．     

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.     

基于改进IDA的混凝土坝地震易损性研究

针对目前混凝土坝易损性分析研究中震害等级划分多采用单一指标以及增量动力分析法(IDA)中选取步长增量时未考虑结构响应等问题,本文提出基于改进IDA的混凝土坝易损性分析方法:首先采用功效系数法以位移、应力、损伤区域为指标对坝体结构破坏进行综合评价,并应用变权模型考虑指标数值对指标权重的影响;然后通过计算得到的坝体综合破坏指数,根据坝体震害等级划分采用变增量步长法改进IDA法,从而可以更加全面地计算分析坝体在不同强度地震作用下从弹性状态到完全破坏的结构响应过程;最后,以某混凝土坝挡水坝段为例,建立有限元模型计算结构地震响应,应用改进IDA法绘制其地震易损性曲线.结果表明,该方法可以分析坝体结构在不同地震强度作用下产生各个等级破坏的概率,进而为混凝土坝结构抗震安全设计等提供理论依据.     

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.     

基于相关向量机与随机有限元的筑坝材料参数不确定性反分析

由于面板堆石坝在设计、施工、建设中存在诸多不确定性因素,造成坝体沉降变形控制难的问题,对此建立了相关向量机(RVM)与随机有限元相结合的综合分析方法,对面板堆石坝材料参数的变异系数进行不确定性分析.首先,采用基于Cholesky离散方法的蒙特卡罗随机有限元方法,实现考虑堆石料力学参数变异性的随机有限元计算,从而构造出RVM的学习样本;随后,通过先进的机器学习算法——RVM建立反分析模型中输入-输出间的不确定性关系,有效地模拟材料参数与坝体沉降间的复杂非线性关系,使其能够代替随机有限元进行计算;最后,结合大坝实测沉降数据,利用遗传算法搜索确定筑坝材料的变异系数.通过分析公伯峡面板堆石坝应用实例表明:所建立的不确定性反分析模型综合考虑了数值计算以及输入-输出间的不确定性,可快速、精确地确定筑坝材料参数的变异系数,具有良好的工程应用前景和推广价值.     

箍筋约束混凝土方柱轴压破坏尺寸效应细观数值研究

钢筋混凝土构件尺寸效应行为源于混凝土材料的非均质性及钢筋/混凝土复杂的非线性相互作用.通过建立反映上述特征的约束混凝土方柱3D细观数值模型,开展轴心受压破坏行为及尺寸效应数值研究,探讨体积配箍率对箍筋约束混凝土方柱轴心受压力学行为及尺寸效应的影响机理,并与试验结果进行对比分析.基于Baznt尺寸效应律,开展约束混凝土轴心抗压强度尺寸效应理论分析.研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合良好,构建的钢筋混凝土柱细观力学模型能够准确地描述箍筋约束混凝土构件的破坏行为及尺寸效应规律;体积配箍率增加,约束混凝土柱的名义强度增大、破坏呈现更少的脆性,尺寸效应现象减弱;Baznt尺寸效应理论能够对约束混凝土柱轴心加载下的尺寸效应行为做出合理解释.     

基于MSC.Marc的高混凝土坝非线性时效变形量化的程序实现

变形是混凝土坝结构性态的综合反映,尤其是时效变形,是评价大坝结构性态转异和长效服役健康状况的重要指标.针对坝体混凝土徐变和坝基岩体蠕变等材料固有时效变形特征所引起的混凝土坝时效变形,组建了适合高混凝土坝变形的坝体、坝基非线性时变本构模型,并研究了三维应力状态下的时效变形方程,提出了基于Drucker-Prager屈服函数的坝基岩体蠕变分段准则;在此基础上,基于通用商业有限元软件MSC.Marc,研究了本文所建非线性时变本构模型的二次开发程序实现方法,进而实现对高混凝土坝固有时效变形的量化分析.通过算例验证了基于MSC.Marc进行二次开发的可行性和正确性,某高混凝土重力坝固有时效变形的正反分析结果表明了所建模型的工程实用性.     

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.     

粗粒料及粒间微生物胶结的破碎-强度-能量耗散研究进展

粗粒料广泛应用于水利大坝、公路铁路路基及机场高填方边坡等对强度及变形要求较高的基础设施中.粗粒料颗粒粒径及颗粒强度离散性较其他岩土颗粒材料大,且在外荷载作用下易发生破碎;微生物胶结作为一种新型的绿色胶结方式,可以改善粗粒料的力学特性,抑制颗粒破碎.文章首先介绍了粗粒料颗粒强度相关理论分析方法:包括Weibull分布理论、尺寸效应、分形维数、雪崩动力学理论等;随后总结了研究粗粒料颗粒强度及变形特性的室内试验方法与技术:包括单颗粒破碎试验、一维压缩试验、声发射监测系统及微生物胶结技术;最后从粗粒料类别、外部环境因素、颗粒粒径、微生物胶结情况等方面对粗粒料单颗粒破碎试验和一维压缩试验结果进行分析,阐明了相关因素对颗粒强度、Weibull模量、压缩性、破碎量、声发射能量及能量耗散等的影响规律.研究成果有助于加深对粗粒料强度及变形特性的认识,也可推动粗粒料在实际工程中的应用.     

条带式带齿加筋砂土挡墙的模型试验

在提出条带式带齿加筋的基础上, 进行了一系列条带式带齿加筋砂土挡墙的室内模型试验, 测试了墙面板水平位移、齿筋侧向土压力, 并利用高倍数码摄像机拍摄了加载过程中挡墙侧面土体的变形特征以及渐进破坏过程, 研究了这种加筋形式挡墙的承载力和工作机理, 提出了破裂面的具体形式. 试验结果表明: 与传统的水平加筋形式相比, 条带式带齿加筋可以较大幅度地提高挡墙承载力、抑制挡墙变形.     

钛合金室温和高温三维复合型断裂实验研究

钛合金结构在复杂载荷和工况下的损伤容限对现代飞行器安全十分重要,但至今没有结构三维几何尺寸因素对材料高温断裂性能的影响结果报道.利用新发展的光测断裂试验技术,对航空结构材料TC11高温钛合金制成的紧凑拉伸剪切试样,在3种不同温度条件下进行了多种厚度（1.8～7.1mm）的I/II复合型断裂试验,系统分析了温度、厚度和复合载荷对断裂承载力和裂纹起裂角的影响.结果表明,TC11材料在室温下断裂承载力随厚度增加单调降低;在高温下则呈现与室温下不同的厚度效应：温度明显降低2mm试样的承载能力,而增强7mm试样的承载能力,4mm试样的承载能力则较少变化.I/II复合加载时起裂角在室温和高温条件下都存在一定的厚度效应和温度效应.这些复杂的厚度-温度耦合效应不能用已有断裂理论准确预测,必须发展新的三维复合型断裂理论和评定技术.     

基体开裂对黏弹性层合圆柱壳延迟失稳的影响

研究了基体蠕变开裂对黏弹性层合圆柱壳的前屈曲变形特征和分岔蠕变屈曲的影响．采用Schapery的耦合基体开裂的积分型本构关系描述铺设单层的力学行为，由细观力学方法将损伤变量值与基体裂纹密度相关联，并建立基体裂纹密度演化与拉伸应力的幂型关系．基于Donnell型扁壳理论和Karman．Donnell几何非线性关系得到黏弹性层合圆柱壳在轴向压缩下的前屈曲变形与分岔屈曲控制方程，综合应用有限差分、三角级数展开以及Taylor的卷积积分数值递规算法求解问题．针对多组几何参数、损伤演化参数以及两端边界条件，分析对称铺设玻璃纤维／环氧复合材料圆柱壳在耦合基体蠕变开裂时的分岔蠕变屈曲行为．数值结果表明：基体横向开裂损伤显著降低了短圆柱壳分岔蠕变失稳的临界时间和持久临界荷载，但这种影响随着圆柱壳径厚比的增加而减弱直至消失，对中长圆柱壳，损伤效应与圆柱壳两端的边界条件有关．     

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.