镶嵌式面板堆石坝应力应变特性研究

镶嵌式面板坝是解决高面板堆石坝安全性的一种新理念,结合某150 m面板坝工程,采用非线性平面有限元方法,系统研究了新坝型与常规面板坝应力应变特性的差异,并探讨了混凝土坝高度、顶面宽度和坡比对镶嵌式面板坝应力应变的影响。结果表明,镶嵌式面板坝与常规面板坝在堆石坝体沉降、周边缝变位等方面并没有显著改变,改变主要集中在堆石体上游向变形和面板的应力应变上,镶嵌式面板坝对堆石体上游向变形有一定抑制作用,由于缩短了面板长度,对面板静态应力应变状况有所改善,但对面板动态应力状况稍有不利。混凝土坝高度是控制性体型参数,需综合考虑其对堆石坝体、面板和混凝土坝自身应力变形以及接缝变位的影响,合理选择混凝土坝坝高。     

考虑流变效应的高心墙堆石坝应力变形分析

采用三维有限元法对某高心墙堆石坝的应力变形进行了计算分析,数值结果表明,大坝的应力变形值在合理范围内,基本稳定期的坝体沉降约占坝高的1．07％,该心墙堆石坝的位移及应力分布符合心墙堆石坝应力变形的一般规律。     

折线型面板堆石坝——改善面板应力状态

数值计算和原型观测结果都表明,面板堆石坝靠近两岸的面板拉应力较大,个别部位拉应力甚至超过面板混凝土抗拉强度设计值,由于混凝土抗拉强度只有抗压强度的6%⁹%,拉应力往往是确定面板混凝土标号乃至影响面板安全的控制因素。本文提出了以折线型面板替代直线型面板来减小面板上拉应力的新设想,通过某水电站面板堆石坝的三维有限元法数值计算表明采用折线型面板可以有效地减小面板的拉应力,同时面板垂直缝的张开变形和周边缝的张开变形也都减小。因此,对于高面板堆石坝或河谷形状较陡的面板堆石坝工程,采用折线型面板可能更有利于大坝的安全。     

河谷形状对深覆盖层上面板堆石坝变形的影响

采用非线性有限元分析方法,建立了坝体和坝基的三维有限元模型,通过改变岸坡坡度,对深厚覆盖层上面板堆石坝的坝体及面板变形的变化规律进行计算分析。研究了河谷形状和深覆盖层对面板堆石坝的变形特性的影响。研究结果表明:建在深厚覆盖层上的面板堆石坝,坝基覆盖层对上部坝体的沉降变形有明显的影响,坝体和坝基的沉降数值随着岸坡坡度的逐渐变缓而增大;面板底部的最大挠度较建在基岩上的有所增大,而且随着岸坡坡度的变缓,也呈现出逐渐增大的趋势。     

接缝简化模型及参数对面板堆石坝面板应力及接缝位移的影响研究

通过大量的三维面板堆石坝有限元分析,研究不同止水结构形式对面板堆石坝面板应力和接缝位移的影响.在此基础上,建议简化的面板堆石坝接缝模型,简化模型具有简单的表达形式和较少的参数,方便面板堆石坝的有限元计算分析,可满足精度要求.通过对简化模型参数进行敏感性分析,建议简化模型参数取值范围和改善面板应力的工程措施.     

长河坝坝基廊道应力变形特性研究

深厚覆盖层上的长河坝心墙堆石坝坝高 240 m ,坝基防渗墙采用顶部设置灌浆廊道的方式与坝体心墙相连接,廊道受力条件复杂,已有类似工程出现廊道破坏导致漏水的现象。采用基于子模型法的三维非线性有限元对该部位结构进行重点研究,以薄层单元模拟各种接触面,坝体材料及覆盖层采用 Duncan 双曲线 <> E -<>μ 模型,考虑大坝实际填筑施工过程和水库蓄水过程,对坝基廊道与防渗墙的应力变形状况进行分析。计算结果表明,由于在河床段沿坝轴线均不设横缝,廊道横河向正应力值较大,且极值出现在左右岸 1/4 跨的位置;廊道底板顺河向拉应力较大,将导致底板产生纵向裂缝;廊道与两岸灌浆平洞的结构缝三向变形形态复杂,止水设计困难。应对廊道的结构型式进行调整以及采取一定的工程措施以保障防渗系统的安全性。     

高面板堆石坝施工期上游坡面变形规律研究

结合龙背湾水电站混凝土面板堆石坝工程施工实际情况,采用三维有限元分析方法模拟面板坝施工过程中挤压边墙的变形发展过程,分析研究面板堆石坝施工期坝体变形规律和受坝体变形而导致挤压边墙变形的发展规律。依据监测资料,对施工期挤压边墙变形进行了系统分析,并通过对比大坝三维仿真分析计算结果及实测数据,验证了对大坝进行三维仿真分析的合理性。根据大坝三维计算的结果对大坝填筑方案进行了优化,计算结果表明优化坝体填筑顺序后,施工期挤压边墙的变形有明显减小。     

特高面板砂砾石坝结构安全性论证

基于试验研究与数值计算分析,对新疆大石峡250 m级特高面板砂砾石坝结构安全性进行了论证。结果表明:压实后的砂砾石料有较高的变形模量、较小的流变和地震残余变形,大坝运行期坝体最大沉降仅为最大坝高的0.64%;设计地震用下坝体最大震陷量仅为最大坝高的0.40%;静、动力荷载作用下,面板周边缝的沉陷和张拉值均未超过国内外已建工程的最大实测值,周边缝的剪切位移虽然比国内外已建工程的最大实测值大,但中国在混凝土面板接缝止水结构与材料方面的技术储备已经能够满足其要求。因此,与相同高度的面板堆石坝相比,面板砂砾石坝变形安全控制的难度较小。需要指出的是,250 m级特高砂砾石坝的防渗面板在静、动力荷载作用下的轴向和顺坡向拉、压应力极值较高,有必要在面板周边缝和压性垂直缝两侧一定范围配置加强钢筋。     

中国高混凝土面板堆石坝性状监测及启示

阐述了中国高混凝土面板堆石坝(坝高129 m以上)安全监测布置、监测仪器选型和数量以及监测主要成果,在分析了高混凝土面板堆石坝监测资料的基础上指出筑坝材料的变形特性、坝高和河谷形状是影响混凝土面板堆石坝工作形状的主要因素,提出了坝体沉降特征值Cs、坝体水平位移特征值CDu和CDd、周边缝位移特征值CDS、面板垂直缝位移...     

中国混凝土面板堆石坝的技术进步

首先阐述了中国20余年来混凝土面板堆石坝的发展概况,简要说明了已建和在建的94座坝高100 m以上的高混凝土面板堆石坝的主要技术特征和自主创新,包括上下游坝坡、面板厚度、宽度和配筋率、趾板宽度、坝体分区、筑坝材料、填筑标准、接缝止水和工程用途。展示了中国在国际混凝土面板堆石坝工程领域的领先地位。接着阐述中国混凝土面板堆石坝筑坝技术所取得的进展,分别阐述了设计技术、施工和监测技术、筑坝材料（软岩和砂砾石）和防渗结构（面板和止水）关键技术,不利自然条件下（狭窄河谷、高陡岸坡、深覆盖层、地震区和高寒区）的筑坝关键技术以及计算和试验研究等方面的技术进步和创新,最后简述了未来超高面板堆石坝的挑战和展望。     

复杂地形条件下高面板堆石坝应力变形特性研究

河谷地形是影响面板堆石坝应力变形的重要因素之一,河谷地形不同导致面板坝边界条件不同,进而影响其应力变形状态。对某拟建坝高256 m的超高混凝土面板堆石坝在复杂地形条件下的应力变形进行分析,得出不对称不规则河谷对面板堆石坝的应力变形协调性影响较大,特别是右岸古河床阶地附近的坝体和面板应力变形梯度变化较大,不利于面板的安全,设计和施工时需采取措施进行处理。并通过与两种调整方案的结果进行对比,针对性的分析了右岸古河床阶地的影响。同时左岸陡岸坡导致面板拉应力和周边缝位移较大,通过与3种调整方案的结果进行对比,分析了陡岸坡的影响程度。     

300m级超高面板堆石坝变形规律的研究

采用三维有限元数值分析方法研究了300m级超高混凝土面板堆石坝的变形规律。指出坝体分区、筑坝材料特性特别是流变特性是影响超高面板堆石坝变形性状的主要因素,要重视超高面板堆石坝上游部分坝体变形的鼓肚现象。建议了合理选择筑坝材料,适当提高下游堆石区填筑标准、全断面均衡填筑、上部1/3左右坝体采用变形模量较高的坝料,待坝体变形基本趋于稳定才浇筑面板以及考虑设置面板永久水平缝等工程措施来改善超高面板堆石坝的应力变形性状。     

面板堆石坝性状的初步统计分析

在很多情况下面板堆石坝已经成为优选坝型,但其设计很大程度上仍然依赖于工程经验。目前很少有文献基于大量工程实例数据对面板堆石坝的性状展开研究。收集和统计过去50 a已建的87个面板堆石坝的建设信息和性状监测记录,从统计学的角度分析面板坝性状特征。基于工程实测数据对填筑完工后坝顶沉降、面板挠度和应力、竣工时坝体最大沉降进行统计分析和规律总结。重点讨论了堆石母岩饱和状态抗压强度、地基特性、河谷形状和渗流对大坝性状的影响。结果可以进一步加强对面板堆石坝性状的深入理解,同时为面板堆石坝的设计、施工和运行管理提供指导和参考。     

高混凝土面板堆石坝变形安全内涵及其工程应用

在分析国内外高混凝土面板堆石坝出现的严重问题的原由的基础上,摒弃几十年来面板堆石坝经验设计的概念,指出高混凝土面板堆石坝除了通常土石坝要求的抗滑稳定安全和渗流稳定安全以外还必须满足变形安全的要求。建立了高混凝土面板堆石坝设计的变形协调新理念,包括坝体沉降协调、坝体水平位移协调、面板法线方向和坝轴线方向的坝体变形和面板变形同步协调,提出了高混凝土面板堆石坝变形安全设计的内涵包括变形协调准则、判别标准、计算方法和对策,以 203.5 m 高的 Bakun 坝为例,阐明变形协调设计新理念替代经验设计概念的必要性。     

覆盖层上面板堆石坝趾板与基础连接方式的研究

采用三维弹塑性有限元分析,对那兰水电站混凝土面板堆石坝趾板与基础的两种连接方式——刚性连接与柔性连接进行了比选及技术论证。不同连接方式下的坝体应力与变形计算结果表明:两种连接方式对坝体、坝基及混凝土面板的应力与变形影响很小;但对防渗墙和趾板的变形有较大影响,刚性连接下防渗墙与趾板的变形要小于柔性连接情况;两种连接方式下防渗墙和趾板的应力总体上没有很显著的差异,都在其应力允许范围内;两种连接方式下,面板周边缝变位差别较大,采用刚性连接方式时,面板周边缝有较大沉陷,甚至超过一般止水构件所能承受的变形能力。综合对比两种连接方式下的坝体应力、变形计算结果,建议采用柔性连接方式连接趾板与基础。     

基于混凝土不均匀性面板堆石坝面板损伤分析

将混凝土面板堆石坝中面板混凝土视为宏观上均质、细观上不均匀的材料,结合统计学原理,考虑材料参数分布的随机性,通过二维有限元数值分析,研究了混凝土的弹性模量和抗拉强度随机性对面板堆石坝面板动力损伤分布规律的影响。计算结果表明:不考虑面板混凝土材料参数随机性时,(0.65~0.85)H(H为坝高)处面板顺坡向应力较大,拉损伤主要发生在0.8H(H为坝高)附近的面板处;随着混凝土材料不均匀性增大,发生拉损伤的部位趋于分散,但主要集中在(0.4~0.9)H范围内的面板。因此这部分面板应该是抗震设计的重点区域。采用混凝土弹脆性细观损伤模型,考虑材料参数的随机性,能够直观地阐明混凝土面板的地震破坏过程和损伤分布,便于了解面板薄弱环节,研究成果可以为混凝土面板堆石坝抗震设计提供参考。     

混凝土面板坝面板动力损伤有限元分析

联合采用混凝土塑性损伤模型和堆石料弹塑性本构模型,建立了面板堆石坝弹塑性动力分析方法,研究了地震荷载作用下混凝土面板的损伤发生和发展过程。计算结果表明：地震时,在0.65H（H为坝高）附近顺坡向拉应力最大,面板首先在该部位出现损伤,同时由于鞭稍效应,0.85H面板附近也出现损伤;采用损伤模型,损伤部位的面板出现软化,应力得到释放,计算结果比线弹性模型更加合理;采用塑性损伤模型可以反映混凝土面板渐进破坏过程,通过损伤变量可以清晰地了解面板的损伤分布和薄弱环节。此研究成果可以为进一步开展混凝土面板堆石坝极限抗震能力及抗震措施分析提供有效手段。