白鹤滩水电站反拱型底板非线性静力分析

基于非线性接触理论,结合有限元分析方法对弦长达到130m、分块较多的反拱底板水垫塘进行敏感性分析,研究正向荷载作用下不同锚固水平和方式、反拱曲率及键槽对反拱水垫塘稳定性的影响.并得出以下结论:锚筋对反拱形底板的整体稳定起关键性作用;均布荷载作用下锚筋均匀分布最利于整体稳定,中间板块不锚固是可以选择的利于成拱的方式;对于弦长达130 m的反拱水垫塘,反拱圆心角74°左右较合理;键槽对局部稳定性有明显提高.     

反拱型水垫塘底板结构的稳定性研究

在研究反拱型水垫塘底板上整体水动力荷载特征的基础上,针对反拱底板的结构受力特点,提出了“随机拱”分析模型,对反拱型水垫塘底板结构局部和整体的稳定性进行了定量分析,从板块极限平衡角度给出了反拱型底板优于平底板的量化指标,可为工程设计提供依据。     

平底型与反拱型水垫塘动水荷载对比试验研究

水垫塘结构是影响高坝泄洪消能的关键,优化水垫塘底板型式对有效地增加底板稳定性和减小动水荷载至关重要。平底型和反拱型底板作为两种常见的水垫塘结构型式被业界广泛采用,但关于两者的动水荷载特性对比研究尚不多见。基于白鹤滩水电站1∶50整体模型,采用物理模型试验的方法对比了平底型和反拱型水垫塘在时均压强和脉动压强方面的特性。结果表明:反拱型水垫塘底板的时均压强峰值小于平底型,来流方向上反拱型水垫塘底板的时均压强低谷值小于平底型;两种型式水垫塘脉动压强峰值差异较小,反拱型底板整体脉动压强大于平底型,但反拱型脉动压强梯度小于平底型。     

反拱水垫塘与平底水垫塘底板稳定性诸方面之比较

 反拱水垫塘是一种新型消能防冲结构,拟在我国溪洛渡等高拱坝中采用。在高水头、大流量作用下反拱水垫塘能否安全运用其稳定性是关键技术之一。分析了平底水垫塘和反拱水垫塘的稳定性原理,论证了反拱水垫塘底板具有超载能力强、稳定性高的优点,是高拱坝坝身泄洪消能的合理选择。     

反拱型水垫塘底板的结构型式与等效荷载的试验研究

对反拱型水垫塘底板的试验结构型式和在已知水力条件下怎样求等效荷载的试验研究进行了论述，并根据试验数据，拟合出已知水力条件求得等效荷载的经验公式，从而为进一步求拱端推力及验算其整体稳定性提供了方便。     

反拱水垫塘三维紊流场水力特性的试验研究

反拱底板水垫塘是一种新型的水垫塘型式,是一个倒拱形壳体结构。它是根据峡谷天然河道的形状,将水垫塘设计成中间低、两岸高的拱形体型,不同程度地利用拱的作用来抵抗巨大的动水压力,提高防护结构的安全性。随着反拱水垫塘的广泛应用,关于反拱水垫塘的水流场研究越来越受到重视。针对已建成的拉西瓦水电站的反拱水垫塘,根据重力相似准则,选择合适比尺1∶130,设计了反拱水垫塘水力学物理模型,模拟工况为设计水头7.69 cm,测量了在此工况下的反拱水垫塘各测点压强和流速值。通过对实验数据的处理得到原型反拱水垫塘的压强和速度值,实现了对高水头和大流量作用下反拱水垫塘底板动水压强及流速的试验研究,得出底板动水压强及流速沿流程以及沿拱圈横向的分布规律。     

水垫塘底板稳定分析

针对高拱坝下的平底水垫塘和反拱水垫塘的稳定进行分析。根据水垫塘混凝土块体的受力分析和模型试验结果可知：在相同条件下，反拱水垫塘的稳定性优于平底水垫塘，但反拱水垫塘底板的稳定性最终归结为拱座的稳定性，一旦拱座失稳，将会导致整个拱圈失事。     

基于离散元的白鹤滩反拱型水垫塘底板稳定性研究

为研究白鹤滩反拱型水垫塘底板的失稳机理和稳定性规律,采用距离势函数离散单元法,建立离散单元模型进行仿真计算,并针对不同结构缝宽度、锚固水平及正向荷载作用位置进行底板稳定性的敏感性分析。研究表明:白鹤滩反拱型水垫塘底板的失稳机理为受正向荷载的底板与其两侧底板接触后,会带动两侧底板向反拱边缘滑动并翘起,直至完全脱离两侧底板约束。结果表明:底板间结构缝宽度的增大会降低锚筋的锚固效果,脉动荷载相同大小下,其作用的范围越广,越靠近反拱边缘,则底板越易失稳。     

溢流拱坝反拱型水垫塘性能的原型观测与模型试验研究

对长潭岗水电站反拱型水垫塘的动水荷载、底板扬压力、锚固钢筋应力、拱端推力等进行了原体观测,并与水工模型试验结果相验证。结果表明反拱型水垫塘可较好地协调地形、结构和水流条件,曲线形状可使水流平顺;由于采用了拱型结构,底板由抗浮稳定转为抗轴向力,从而改善了底板的受力条件。为了预估不同工况条件下水垫塘的工作特性和进一步完善反拱水垫塘设计理论,还对反拱型水垫塘三维流场进行了数值模拟和进一步的水工模型试验。     

高拱坝水垫塘底板稳定分析研究

针对高拱坝下的平底水垫塘和反拱水垫塘的稳定分析,根据水垫塘混凝土块体的受力分析和模型试验结果得出:在相同条件下反拱水垫塘的稳定性优于平底水垫塘,但反拱水垫塘底板的稳定性最终归结为拱座的稳定性,一旦拱座失稳,将会导致整个拱圈失事。     

反拱透水底板拱端推力与板块位移研究

高坝消力塘作为下游河床的防护结构，其自身在高速水流冲击下的稳定性与安全性是实现消能和防冲目的的关键所在，是水利工程所面临的亟待解决的课题之一。文章基于模型试验并结合数值模拟研究了反拱透水底板的拱端推力与板块位移特性。结果表明，与不透水底板相比，透水底板可以显著的减小拱端推力，并且拱端推力与板块位移均随开孔率的增加而减小，且减小趋势逐渐变缓，从而可以提高反拱底板的稳定性。结合拱端推力的频谱分析可知，开孔后拱端推力的脉动能量降低，并且功率谱重心向低频移动。文章成果为水垫塘防护结构“主动防护”模式在工程中的应用提供参考。     

基于ANSYS二次开发的立洲水电站调压井有限元内力计算及配筋研究

以四川木里河立洲水电站调压井工程为研究对象,对围岩稳定及衬砌结构内力分布与配筋等开展了较为深入系统的研究。通过ANSYS软件二次开发,利用APDL编制调压井任意断面的内力计算程序,对不同工况典型断面进行内力分析,获得了井筒沿高程内力分布图,对施工工况(锁口衬砌段)、运行工况(最高涌浪控制工况下井筒衬砌和底板配筋)提出了调压井衬砌结构的配筋建议。     

整体式U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏力学模型

通过对整体式小型U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏特征及原因分析,将结构简化为在法向冻胀力、法向冻结力、切向冻结力和重力共同作用下的超静定两铰拱,应用结构力学原理求解出衬砌板的冻胀力及内力图,结合混凝土板抗裂条件,给出了最大拉应力、衬砌板厚和抗冻胀破坏验算的公式,并对整体式与两拼式U形衬砌板冻胀效应进行了比对。结果表明,整体式U形混凝土衬砌渠道由于具有冻胀变形均匀、法向冻胀力小、抗冻胀能力强等特点,优于传统的两拼式U形渠道断面。     

基于双K断裂准则的U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究

为探讨U形渠道衬砌的冻胀断裂力学模型,采用有限元软件简化模拟混凝土衬砌板初始裂缝扩展,并结合线弹性断裂力学的双应力强度因子的混凝土双K断裂破坏准则,建立了冻胀力与冻结力共同作用下的U形渠道混凝土衬砌板冻胀断裂力学模型。根据混凝土双K断裂准则与冻胀条件下的混凝土衬砌力学模型,计算了U形渠道各部位混凝土衬砌板在初始裂缝扩展情况下,混凝土衬砌板冻胀断裂破坏的临界厚度。通过实例计算,验证了此双K断裂准则下的混凝土渠道衬砌冻胀力学模型具有一定的实际应用价值,为以后的U形混凝土衬砌渠道抗冻胀设计提供了合理的理论参考。     

大型弧底梯形渠道“适缝”防冻胀机理及应用研究

旱寒区渠道工程上预先在衬砌板易产生裂缝处顺其自然设置纵缝,以防止冻胀破坏。为探明这种纵缝设置的防冻胀机理及其最佳布设形式,基于冻土水-热-力三场耦合理论,考虑纵缝填充的接触本构及衬砌-冻土相互作用,建立了旱寒区常用的大型窄深式弧底梯形渠道冻胀仿真分析模型,以衬砌板上下表面沿周长正应力分布均匀度为一级指标,以其截面正应力满足强度要求为二级指标,对纵缝设置位置、宽度、个数及其组合削减渠道冻胀效果进行了研究。结果表明:弧底衬砌板属于薄拱结构,渠坡板为梁结构,纵缝为可移动弹性铰;纵缝位置及宽度的变化不断调整拱-梁结构的刚度及弹性铰的约束刚度,以适应基土冻胀变形,使衬砌板表面应力均匀化,从而削减冻胀;但纵缝过宽会过度削弱弧底拱效应,使弧底中心和坡板上表面及坡脚下表面拉应力过大,易导致冻胀破坏;单独设缝时坡脚位置设缝防冻胀效果最好,而组合设缝削减冻胀效果更优,尤其是坡脚与坡板组合设缝。以新疆某供水渠道为例,采用坡脚与坡板1/4、3/4处组合设缝,缝宽取1 cm,可满足两级指标,削减冻胀效果最优,可为旱寒区大型渠道防冻胀合理布设纵缝(适缝)提供科学依据。     

渠道(沟)衬砌工程冻害治理的新思维及试验研究

用冻土力学观点，依据渠床冻土特性，衬砌工程冻害特性及运用条件等诸多方面，提出治理衬砌工程冻害的新思维和新的技术路线，同时采用新的衬砌板型结构和新的防渗技术措施，完善衬砌工程与渠床冻土、融土的耦合关系，达到治理冻害和防渗目的，文中还介绍了原体衬砌模型的室内试验研究成果，证明了新思维的合理性和正确性。     

冻融期内U形渠道混凝土衬砌板下地温分布规律

针对宁夏引黄灌区分布广泛的小型U形渠道衬砌冻融破坏技术难题,基于青铜峡市邵刚镇高标准农田建设区内的小型U形渠道混凝土衬砌板下地温在一个冻融期内的原位观测试验及其数据,分析讨论了衬砌板下地温分布规律及其与极值平均气温之间的关系。研究表明:板下30 cm以下地温与冻融期内时间和极值负积温分别呈较好的二次函数关系,拟合相关系数在0.91以上;板下30 cm范围内的地温同时受到极值气温变化和极值负积温积累效应的影响,地温变化幅度远小于气温的变化幅度;在板下约30 cm处存在准恒地温层;渠道不同观测部位的地温变化规律不一致,冻结期渠底地温总体高于渠内阴阳坡面,融化期渠内阳坡面地温回升速度最快,且与观测时间有密切关系。     

EPS用于膨胀土渠坡稳定的压缩与蠕变特性试验研究

聚苯乙烯塑料泡沫(EPS)用于膨胀土渠道水下坡面的混凝土衬砌板下,发挥其减载、防水和保温功能,可减小作用于衬砌板上的膨胀压力,同时能保持膨胀土的基质吸力,从而对维护渠坡稳定起到十分积极的作用。为了更深入地研究EPS在受压时的力学特性,开展了3种密度EPS无侧限的单轴压缩与蠕变试验。结果表明EPS单轴压缩的应力-应变关系呈明显的非线性特征,据此提出了能完整描述其受压过程的本构模型;3种EPS即使在较小压缩应力的长期作用下,也会发生明显的蠕变。进一步指出了在寒区膨胀土渠坡衬砌结构应用的EPS选择中,应综合考虑EPS密度对其减载、防水和保温特性的不同影响;同时也应考虑EPS的压缩蠕变效应对于衬砌结构的影响。     

地热输水隧洞衬砌结构受力特性及稳定性研究

青海贵德盆地存在的地热资源使得拉西瓦灌溉工程3~#隧洞产生高地温现象(实测空气温度34℃),灌区往复通水产生的高温降严重影响衬砌结构的稳定性。为此,采用三维有限差分法,结合现场监测试验数据,对该隧洞施工期和运行期衬砌结构的受力特性及其稳定性进行了研究。结果表明:较大的拉应力值使衬砌结构产生裂缝,不利于衬砌结构的稳定性;施工期衬砌结构产生纵向裂缝,运行期衬砌结构产生环向裂缝,其中有压洞易同时产生纵向裂缝;施工期6 m段衬砌结构在两端位置处产生裂缝,9 m段在中间位置处产生裂缝;运行期3 m、6 m、9 m段衬砌结构在中间位置处产生裂缝,12 m段容易在两端1/3位置处产生裂缝;衬砌分缝长度较短时,衬砌结构总体受力情况较好;工程采用分缝长度为6 m段衬砌结构,加配环向钢筋,取得较好成效。该研究成果可为未来在黄河谷地地热资源丰富地区开展相关工程提供技术支持。     

济平干渠防渗衬砌新结构研究

根据我国调水工程大型渠道衬砌建设发展的要求,结合南水北调东线首批开工的济平干渠工程,以确保现浇素混凝土衬砌大块薄板防裂为前提,以多元功能排水设施为关键,进而设计了能适应机械化衬砌施工高效率、连续性强等特点,并同时满足渠道防渗、防冻胀、防扬压、防湿陷等综合目标的防渗衬砌新结构型式.通过施工实践和工程运行的监测结果表明:本渠道衬砌新结构型式完全实现了机械化施工的优质高速效果,防渗等各类功能目标均达到了设计要求.