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。     

混凝土面板堆石坝变形和渗漏特性研究

混凝土面板堆石坝被普遍认为是安全可靠的坝体形式,具有独到的防渗漏效果和较低的成本优势。本文通过对多个不同坝高的混凝土面板堆石坝施工后的变形(包括坝顶沉降、面板法向变形、面板应变)和渗漏特性进行总结分析。分析结果表明,首次蓄水时,水荷载对面板法向的坝顶沉降和变形有显著影响,大部分会在垂直于面板方向发生变形,且坝高小于100 m时,坝顶沉降大于垂直于面板的变形,坝高超过100 m时,坝顶沉降相对较小;此外,当坝高小于122 m时,面板堆石坝的长期渗漏量一般小于10 L/s,但当坝高超过125 m时,迅速增加到45～200 L/s。     

水布垭面板堆石坝流变影响研究

采用9参数流变模型对水布垭面板堆石坝堆石料的流变影响进行了分析和研究,并从试验角度对堆石料流变变形机理进行了初步探讨。计算结果表明,三维仿真计算的典型部位的大坝沉降变形历时曲线与实测沉降资料比较吻合,验证了9参数流变模型的有效性、可行性。     

深覆盖层上面板堆石坝应力变形特性研究

结合实测资料和有限元方法分析建于深覆盖层地基上面板堆石坝的应力、变形特性。数值计算中采用邓肯-张E-B模型模拟覆盖层地基和坝体的应力、变形行为,同时采用无厚度接触面模拟面板和坝体以及防渗墙和地基之间的相互作用。整理和分析工程实测资料并与数值计算结果进行对比分析,重点分析坝体和防渗结构的力学行为以及面板堆石坝和地基之间的相互作用。比较分析表明,大坝最大沉降和压应力分别发生在坝体底部和覆盖层中,覆盖层对坝体及防渗结构的应力、变形特性具有显著影响,应力、变形实测值与数值计算结果吻合较好,说明数值计算结果的有效性。在此基础上,分析了覆盖层上面板堆石坝分期填筑和筑坝速度对坝体和防渗结构应力变形的影响。结果表明,分期填筑引起坝体较大不均匀沉降和复杂的应力状态,但一定程度上可以改善防渗墙的应力变形特性;较快的坝体填筑速度容易引起坝体较大的前期应力和后期沉降,不利坝体的施工和运行。     

高混凝土面板堆石坝流变的三维有限元数值模拟

采用一种新的能模拟高围压条件的堆石料幂函数流变本构模型,对水布垭面板堆石坝进行了考虑堆石料流变特性的应力-应变仿真分析。结果表明,考虑堆石料流变特性后的坝体变形有明显的增加,坝体应力有所松弛。堆石体的流变特性使得面板的挠度有所增加,面板顺坡向和坝轴向拉应力极值有所增大。对于分期浇筑面板、分期蓄水的高混凝土面板堆石坝,选用合适的流变本构模型正确地模拟堆石体的流变特性,其结果可以为大坝填筑进度及面板分期浇筑时间的确定提供参考,对于正确地预测大坝的应力变形也具有重要意义。     

堆石料湿化对混凝土面板堆石坝应力变形特性影响研究

心墙堆石坝的湿化变形已经为人们认识和重视,面板堆石坝由于上游有混凝土面板挡水,其湿化变形很少引起重视,但由湿化变形比较明显的堆石料填筑的坝体,在降雨过程中往往产生较大湿化变形,影响混凝土面板的工作性状。本文研究提出了大气降水引起堆石体达到一定饱和度情况下湿化变形的计算方法。进行了滩坑水电站混凝土面板堆石坝堆石料湿化变形试验,采用弹塑性平面有限单元法,分析研究了堆石料浸水湿化对坝体应力变形以及混凝土面板应力变形性状的影响。     

水布垭面板堆石坝的三维弹塑性数值分析研究

在建的清江水布垭面板堆石坝高达233 m,是目前同类坝型中最高的.采用MSC.Marc非线性有限元程序,发展了三维子模型法,对该坝进行了三维弹塑性有限元仿真分析,模拟了面板的分缝、坝体材料分区、填筑及蓄水过程,采用双屈服面弹塑性模型模拟堆石体的变形特征.根据数值分析的结果,对坝体和面板的应力变形分布规律进行了探讨.     

洮水水库工程混凝土面板堆石坝变形应力分析

利用邓肯E-B模型,对洮水水库面板堆石坝在施工期和蓄水期的变形应力进行有限元计算分析,获得了堆石体和面板的变形、应力分布。结果表明,所设计的面板堆石坝变形、应力是合理的。     

公伯峡面板堆石坝流变变形的反演分析

采用沈珠江等提出的流变模型,根据公伯峡面板堆石坝坝体填筑竣工到蓄水前的沉降监测资料,进行反演分析得到相应的流变参数,并用该参数对大坝应力变形进行了计算分析。沉降点监测值和计算值变动规律比较一致,说明了流变模型的有效性;由于坝体堆石料的流变,面板的受力变形在运行期内呈现一定规律性的变化,并逐渐趋于稳定     

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。     

考虑堆石体流变效应的高面板坝最优施工程序研究

考虑高面板坝堆石体的流变变形效应对堆石体的最优施工碾压进度方案进行了研究。结果表明,堆石体的本身流变变形特性对不同施工碾压进度方案下的面板垫层变形影响较大。堆石坝不同材料分区的特点从客观上决定了高堆石坝必然存在一个较优的施工填筑上升方案。堆石体均匀上升的填筑进度方案的面板垫层法向最大位移较小,且沿面板坡向的分布比较均匀,对面板与垫层间的协调变形有利。从最优填筑方案的角度来看,建议高堆石坝采用均匀上升的碾压施工程序。     

流变效应对高混凝土面板堆石坝应力变形的影响

采用三维非线性有限单元法对牛牛混凝土面板堆石坝施工期和蓄水期的应力变形进行模拟计算,并结合沈珠江提出的指数型曲线流变模型,采用自行编制的有限元程序对大坝进行了三维流变分析,得到了坝体、面板在各个时期的应力和变形情况,以及堆石流变对坝体应力变形的影响;计算面板和周边缝位移时采用了三维子模型法,根据实际的坝体填筑、蓄水过程,对每一期面板浇筑之前的坝体上游面位移进行修正,并通过在面板与堆石体之间设置三维面-面摩擦接触单元,来有效模拟面板的应力、变形,为该坝的进一步优化设计提供了有益的建议。     

考虑拱效应的高面板堆石坝流变收敛机制研究

采用一种能模拟高围压条件的堆石料幂函数流变本构模型,探讨狭窄河谷条件下堆石体流变变形的发展规律及相应的控制流变变形的工程措施。数值仿真结果表明,在狭窄河谷中的堆石体存在着拱效应。由于拱效应的影响,如果不考虑堆石体流变导致拱效应减弱而增加的附加变形,数值仿真计算得到的大坝变形将小于其真实的变形。受拱效应影响,堆石体初期变形的速率受到抑制,但随着坝体的升高、蓄水后水压力的加大以及堆石体随时间发展等流变变形因素的影响,堆石体中的拱效应逐渐减弱。要减小面板浇筑后由于其下卧的堆石体流变产生的附加变形,可以尽量利用面板过水及堆石体挡水,以加快堆石体流变变形的完成。采取措施,避免大的陡坡突变以及面板浇筑时间滞后其下卧堆石体断面几个月。     

紫坪铺混凝土面板堆石坝应力-应变分析

利用考虑剪胀性和应变软化性的K-G模型和目前应用较广泛的E-? 模型,对紫坪铺混凝土面板坝进行了二维有限元应力-应变对比计算分析,同时将分析结果与采用双屈服面弹塑性模型三维有限元计算结果以及已建其他工程观测资料比较,得到了坝体应力-应变规律,表明这种K-G模型计算所得的沉降和水平位移在正常范围内,尤其是水平位移的计算明显比邓肯-张E-? 模型计算结果合理,初步验证所建议模型的合理性。     

混凝土面板堆石坝中过渡区的渗流控制作用研究

在面板完好的条件下,面板堆石坝坝体的渗透稳定性很容易满足要求;在面板止水破损和面板失效的不利条件下,过渡区的渗流控制作用对于大坝的渗透稳定性具有关键意义。结合水布垭大坝实例,通过层间系数的分析,认为必须通过试验研究过渡料对垫层料的反滤保护作用。通过反滤试验研究了水布垭全级配过渡料对垫层料的反滤效果和渗透变形规律,结合已发表的研究成果进行综合分析,探讨了过渡区的渗流控制作用机制：过渡料与主堆石区一起,可对坝体起到很好的排水作用;在面板止水破损和面板失效的不利条件下,垫层料内部可能会发生颗粒迁移和内部结构调整,但在过渡料的反滤保护作用下可维持渗透稳定;初次遇到这种工况时,过渡区自身会有少量细粒流失,但其骨架将维持稳定,借助于主堆石区的支撑作用,过渡区将继续发挥其反滤和排水的双重作用。     

一个用于面板坝流变分析的堆石流变模型

在前人工作的基础上, 从宏观上建立了一个用于面板坝流变分析的堆石流变模型: 堆石的瞬时弹塑性变形由椭圆-抛物双屈服面模型确定,并计入时间效应, 由双曲线函数经验公式计算堆石与时间有关的粘塑性变形。通过现场实测结果的反分析验证了模型的可靠性。