面板坝垂直缝及止水失效渗流场有限元模拟

以金川面板堆石坝为例,用有限元方法计算了当面板缝及止水局部失效时各种工况下的渗流场,系统分析了大坝在面板垂直缝及止水局部失效后的稳定渗流场的规律和特点。采用无厚度的二维平面单元来模拟面板垂直缝及止水结构周边缝,同时采用理论上严密的Signorini型变分不等式方法进行求解,此方法能对渗流出渗点和浸润线进行准确定位。通过分析计算结果,指出了面板缝及止水结构周边缝的失效位置,失效缝宽对等势线、浸润线以及渗漏量的影响。为面板堆石坝接缝的设计提供参考。     

各向异性对积石峡面板堆石坝渗流的影响分析

面板堆石坝的坝料在填筑过程中由于碾压等原因而表现出较强的各向异性。采用固定网格有限元全场各向异性渗流分析方法,对积石峡面板堆石坝进行了正常和面板出现裂缝等非常工况条件下的二、三维渗流分析,计算了大坝渗流量和渗流场,探讨了面板裂缝的位置对渗透的影响。计算结果表明,在正常工况条件下,大坝具有良好的渗透稳定性。面板不同的裂缝位置对大坝渗流影响不同。     

三峡库区黄土坡滑坡浸润线动态变化规律研究

以三峡库区黄土坡滑坡为研究对象,结合滑坡体地下水位监测数据,分析库水涨落对滑坡地下水位的影响。建立了黄土坡滑坡渗流模拟的有限元计算模型,并确定了模型合理的水头边界条件。利用Geo-Studio软件的SEEP/W模块,对库水位涨落情况下滑坡暂态渗流场的变化进行模拟,并且分析浸润线的动态变化过程,确定了库水位涨落对滑坡前缘浸润线影响区在滑坡前缘300 m范围内,并对库水位上升和下降两种工况下滑体前缘浸润线位置进行了预测。最后,分析了库水位涨落下库岸滑坡浸润线变化对滑坡稳定性影响,为研究库水位涨落下库岸滑坡浸润线和滑坡稳定性提供了依据。     

库水位骤降后面板缺陷坝体渗漏量和坝坡稳定性分析

为研究库水位变动情况下面板不同缺陷的面板堆石坝渗透稳定特性,利用著名岩土分析软件Geo-studio的Seep/w与Slope/w模块,以浙江省临海市西部括苍镇境内某面板堆石坝为例,对不同土工膜缺陷及库水位变动工况的组合进行了渗流特性及稳定性的数值模拟分析,得到了浸润线,渗漏量及稳定性系数的变化曲线,计算结果表明:(1)面板一旦发生缺陷,静库水位下坝体的浸润线有一个明显的抬升,缺陷尺寸越大,浸润线高程越高,但是差异不大。库水位高程越高,静库水位下坝体内部的浸润线高程也就越高;(2)库水位水平越高,缺陷尺寸越大,坝体渗漏量也就越大;(3)库水位骤降下面板坝内部浸润线呈现先疏后密的规律,库水位下降速率越大,上游坝体浸润线疏的部分则越疏。在库水位骤降经过面板坝缺陷高程时,有一个浸润线突降的过程;(4)从整体上看,上游坝坡的稳定性系数要大于下游坝坡的稳定性系数;静库水位下,库水位水平越高,上游坝坡稳定性系数越大,而下游坝坡稳定性系数则越小,缺陷位置越高,稳定性系数越低;库水位骤降情况下上游坝坡稳定性系数随库水位下降呈现先下降后上升的趋势,下游坝坡则呈现一直上升的规律,一旦面板发生缺陷,稳定性系数较完整面板来说有一个较大幅度的下降,面板缺陷尺寸越大,稳定性系数整体上越小。     

城区渗流场中建筑物间缝隙有限元简化分析方法

为解决城区渗流场中缝隙多、区域的大尺度与物体的小尺寸相差了几个数量级,有限元分析上存在的困难,根据缝隙流动的解析解,经适当地简化,将缝隙附近的渗流场分为缝外区和缝内区两部分,将缝外区流动简化为一个半径为半缝宽的井流,缝内区流动简化为一个均匀流。引入附加阻力系数,考虑缝隙出入口附近的由于过水断面突然变化而引的局部水头损失,并得到附加阻力系数的表达式。利用该式,结合渗流场中井点水头的修正公式,得到了能有效模拟渗流场中建筑物间缝隙的修正线单元公式。利用该线单元编制了相关程序模拟城区渗流场中的缝隙,使得缝隙出入口处的网格尺寸为缝隙两边的建筑物边长1/3～1/4时就能得到较为准确的结果,避免了区域性渗流场中小尺寸物体的网格划分问题,通过算例验证了该公式的精度和边界适应性。     

挤压边墙对混凝土面板影响的三维有限元分析

挤压式边墙技术是近年混凝土面板堆石坝发展最具有代表性的新技术之一。本课题以使用挤压式边墙的面板堆石坝为主要研究对象,具体结合一个工程实例进行分析。运用ANSYS参数化设计语言（APDL）实现了用点面接触单元模拟面板与边墙的接触;创新性地采用非线性连接单元模拟面板垂直缝和周边缝。在此基础上,计算了有挤压式边墙和无边墙两种情况下坝体及面板分别在竣工期和蓄水期的应力、变形;最终确定两者面板应力应变之间的差异,明确挤压边墙对面板的影响。     

城区渗流场中建筑物间缝隙有限元简化分析方法

为解决城区渗流场中缝隙多、区域的大尺度与物体的小尺寸相差了几个数量级，有限元分析上存在的困难，根据缝隙流动的解析解，经适当地简化，将缝隙附近的渗流场分为缝外区和缝内区两部分，将缝外区流动简化为一个半径为半缝宽的井流，缝内区流动简化为一个均匀流。引入附加阻力系数，考虑缝隙出入口附近的由于过水断面突然变化而引的局部水头损失，并得到附加阻力系数的表达式。利用该式，结合渗流场中井点水头的修正公式，得到了能有效模拟渗流场中建筑物间缝隙的修正线单元公式。利用该线单元编制了相关程序模拟城区渗流场中的缝隙，使得缝隙出入口处的网格尺寸为缝隙两边的建筑物边长1/3～1/4时就能得到较为准确的结果，避免了区域性渗流场中小尺寸物体的网格划分问题，通过算例验证了该公式的精度和边界适应性。     

库水上升条件下不同土体类型岸坡渗流场特征

库水位与岸坡体内地下水渗流场的动态变化密切相关。传统的饱和土渗流分析方法无法准确描述水位上升过程中岸坡内渗流场的规律。从饱和-非饱和非稳定渗流理论出发,在室内实验得到基质吸力和体积含水量关系的基础上,通过对实验数据拟合,得出Van Genuchten模型中土水特征参数。以三峡库区典型岸坡为例,模拟库水匀速上升时,坡体为粉质黏土、粉土、砂土和砾石土4种岩土介质类型下的渗流特征,并监测坡面高程为165 m和155 m竖直剖面上的孔隙水压力变化。结果表明:库水位匀速上升过程中岸坡体内浸润线呈"V "字型,并且各时步" V"字型浸润线的拐点连线随渗透性的增大有逐渐与坡面平行的趋势;揭示了4种土体类型孔隙水压力随时间的变化规律。研究成果可为水库岸坡的防治提供较重要的借鉴与参考。      

湖南柿竹园野鸡尾尾矿库渗流与稳定性有限元分析

本文以柿竹园野鸡尾尾矿库为依托,采用有限元方法对其渗流及稳定性进行分析。利用热流与地下水渗流有限元实现环境的相似性,模拟尾矿库的渗流场并进行分析,确定渗流浸润线及水头分布情况;对浸润线上下的土体采用不同的容重,并考虑有效应力参数,建立有限元静力分析模型,并分别从应力、滑移面、塑性区等方面对尾矿库的静力稳定性做了简要分析,同时研究探讨库区水位变化对尾矿库稳定性的影响。结果表明:在给定的计算条件下,野鸡尾尾矿库在渗流下的稳定性良好,具有较高的安全储备,库区水位变化对于该尾矿库稳定性的影响并不大。     

复杂地形条件下高面板堆石坝动力反应分析

面板堆石坝具有良好的抗震能力的特性已被数次强震证明,但其动力反应依然是一个值得关心的问题,尤其是在坝高跨入300 m级、河谷地形条件较复杂等情况下。采用等价黏弹性模型,对复杂地形（河谷呈不规则“W”形）条件下高面板堆石坝的动力反应进行分析,得出复杂地形条件下混凝土面板堆石坝（CFRD）坝体、面板的动力反应分布较单一地形条件下复杂,但规律基本相同;最大的动力反应加速度发生在坝体最大断面坝顶位置,最大竖向动位移约为坝高的0.3%;受右岸古河床和左岸陡边坡的影响,右岸的轴向和顺河向动力加速度放大倍数大于左岸,垂直向动力加速度放大倍数反之;古河床位置有一个明显的沉降区域。根据分析结果,复杂地形条件下高面板堆石坝的破坏形式主要有下游坝坡失稳破坏、面板拉裂和震陷超标等。最后提出可采取的抗震措施以供讨论。     

管道衬砌内水外渗对边坡稳定影响的数值模拟

根据钢筋混凝土受拉开裂特性，通过混凝土开裂后钢筋和混凝土联合承载原理，提出了在内水压作用下混凝土衬砌开裂的裂缝宽度估算公式。根据开裂衬砌内水外渗的规律，提出了高压管道内水外渗与混凝土衬砌裂缝宽度相互影响的有限元迭代计算分析方法。该方法将内水压荷载分解为起裂荷载和破坏荷载，对混凝土衬砌起裂荷载采用一次加载，对破坏荷载采用分级加载迭代，由此较好地反映衬砌开裂和渗流耦合作用效应。根据渗流荷载对边坡的破坏作用，提出了对边坡稳定判断的思路。通过对实际工程的分析计算，论证了高压管道内水外渗对边坡的稳定影响, 为内水外渗与应力场耦合分析提供了一种有效的计算方法。     

水布垭面板堆石坝垫层料渗透与渗透变形特性试验研究

水布垭水电站混凝土面板堆石坝高达233 m,垫层料的良好性能对于大坝的变形和渗流控制极为重要。文中介绍了基于混凝土面板堆石坝工程建设经验以及水布垭水电站可行性研究阶段试验成果确定的垫层功能要求和垫层料具体设计要求,垫层料的渗透性和渗透变形特性在设计要求中占有重要的位置,详细介绍了施工设计阶段针对垫层料进一步开展的系列渗透变形试验。水平试验取得的渗透系数、临界比降、破坏比降均有大于垂直试验值的趋势,水平试验模型更接近垫层实际填筑情况及其中的水流流态,所以水平试验成果更反映垫层的工程特性;随着垫层料级配和密度的变化,其渗透系数变化范围较大,总体上满足10-4～10-2 cm/s渗透系数的要求。但是,粗级配和低密度试样的渗透系数超越设计要求的上限值;临界比降和破坏比降随着垫层料级配和密度的变化没有呈现明显的规律变化,试样内部结构欠稳定。研究成果进一步说明,垫层料级配和填筑密度控制非常重要,垫层的渗透稳定性有赖于过渡区提供有效的反滤保护作用。     

高压引水隧洞衬砌的透水设计研究

国内大都采用荷载结构法及限裂设计的方法对水工高压隧洞的衬砌进行不透水设计。而实践证明,不透水设计并不适合于高压引水隧洞,它将导致过高的配筋量。目前,国内水工高压隧洞结构透水设计尚无适用的规范可循,因此,有必要寻求一种合理、安全的透水设计方法。针对水工高压隧洞,基于体力理论,提出一种对衬砌结构进行透水设计的有限元计算方法,并将其应用于某水电站工程。该方法可模拟隧洞的施工过程和运营检修工况,考虑渗流场和应力场的直接耦合作用,根据内力值计算衬砌裂缝的开展宽度以及相应的配筋量等。通过对比分析,说明在衬砌透水设计中隧洞满水状态为对其进行配筋的控制工况,且结果更符合工程实际,并能大大节省配筋量。     

Using zero-thickness elements to simulate suspended cut-off walls in a regional seepage field

A regional seepage field is usually simulated by 2D horizontal seepage finite element method (FEM). However, the Dupuit assumption means that it does not take into account hydraulic head loss caused by vertical flow. In order to simulate a regional seepage field containing suspended cut-off walls by 2D horizontal FEM without any loss of accuracy and efficiency, a zero-thickness element is introduced. The zero-thickness element is used to model suspended cut-off walls and take into account the hydraulic head loss caused by vertical flow near the walls. The matrix equation is deduced. The deduction is based on the resistance coefficient method and the analytical solution of flow near suspended cut-off walls under plane condition. The accuracy of the method is assessed by comparing with 3D FEM results. These coincide with each other both in discharge and hydraulic head. The method is an effective way to simulate a suspended cut-off wall in a regional seepage field with 2D horizontal FEM.     

新安江右坝裂隙岩体渗流同位素示踪研究

应用同位素示踪方法对新安江右坝的裂隙岩体渗流场进行了研究。在单孔中应用同位素示踪技术可得到流速、流向、垂向流等水力学参数,结合相关的地下水井流理论,就可计算出裂隙等效水力隙宽、渗透系数等反映裂隙渗透性的参数,对其进行分析,就确定了渗流场的分布以及集中渗漏通道的位置。     

高面板坝地震动非一致输入响应规律

在多点输入方法和等价黏弹性模型的基础上,采用半解析的波函数组合法实现了面板堆石坝在非一致输入下的动力计算。从频域散射角度对计算方法的合理性进行了验证。对比了非一致输入与一致输入下高面板堆石坝的动力响应,发现在采用基岩自由表面点的振动过程相同的对比标准下,非一致输入的整体动力响应较小;在面板坝防渗系统相对薄弱的止水结构附近,非一致输入的动拉应力最大值比一致输入的结果更大;非一致输入下大坝动力响应值的分布相比一致性输入呈现出中间小、周边大的特性。并基于波动理论进一步分析了不同种类地震波入射角度对高面板堆石坝动力响应的影响,揭示了P波、SV波和SH波入射下高面板堆石坝动力响应规律：随着入射角的增大,SH波入射时,高面板坝动力响应强度基本不变; SV波入射时,存在一个临界角,当入射角在临界角左右时高面板坝动力响应强度急剧增大和减小,之前基本不变,之后一直减小;P波入射时,存在一个特征角度,在入射角小于特征角度时高面板坝动力响应强度基本不变,大于特征角度时高面板坝动力响应强度减小。     

面板堆石坝面板竖缝特性对面板应力变形影响分析

采用三维有限元方法,研究了面板竖缝特性对面板堆石坝中面板应力变形的影响。基于类似子结构法概念,建立了精细模拟面板及其分缝特性的三维有限元分析方法。针对马来西亚巴贡面板堆石坝,计算了多种面板竖缝宽度和填料的方 案,得到坝体和面板的应力变形。计算结果表明,面板竖缝几何尺寸和填料特性对面板的挠度、顺坡向应力、水平向压应力和周边缝张合变形影响不大,而对面板的水平向拉应力和竖缝压缩量影响很大;面板竖缝填料变软和宽度增大均会导致面板的水平向压应力减小,而竖缝压缩量明显增大;采用软木作为填充材料较之填充硬木,可以大约降低一半的压应力;面板竖缝宽度及其填料特性对同期填筑的面板、特别是邻近的面板水平向压应力影响较大。     

流变变形对高面板堆石坝面板脱空的影响分析

面板堆石坝尤其是高面板堆石坝的运行实践表明,堆石的流变现象比较显著。采用基于直接约束算法的接触力学分析方法模拟了混凝土面板和堆石体之间的接触关系。考虑堆石体的流变特性,并结合天生桥一级面板堆石坝的现场观测结 果,对高面板堆石坝中的面板脱空问题进行了有限元计算分析,研究了坝体流变变形对面板脱空和垫层亏坡问题的影响。