小湾拱坝坝基开挖卸荷松弛效应的有限元分析

针对小湾拱坝坝基开挖中出现的卸荷松弛问题,采用三维非线性有限元法对卸荷松弛效应进行了评价。通过松弛方案与未松弛方案计算,对小湾拱坝的应力和位移、屈服区分布以及坝基浅部关键截面的抗剪安全度、点安全度等方面进行了比较分析。研究结果表明,建基面地基松弛后,主要影响低高程局部区域的变形和应力,对拱坝整体变形和应力分布的影响很小;地基松弛后,拱冠梁建基面（953 m高程）坝踵处第一主应力有所增大,坝趾处第三主应力有所减小;拱冠处梁的作用减弱,拱冠梁处距坝踵20 m范围的点安全系数也略有降低;原设计方案在未松弛情况下基本可以满足《混凝土拱坝设计规范》关于建基面抗剪（断）安全系数的要求;坝基松弛后,抗剪（断）安全系数降低明显,与规范规定的要求相差较大,需采取适当的工程措施。该研究成果已为设计决策提供了依据。     

乌东德高拱坝极限抗震能力研究

乌东德水电站是金沙江下游河段上4个水电梯级的最上游梯级,大坝为265 m高的双曲拱坝。采用非线性有限元法,将拱坝坝体-坝基作为一个整体系统,在考虑坝体横缝影响及无限地基辐射阻尼影响基础上,模拟坝肩控制性滑块各滑裂面在地震作用下张开、滑移的非线性力学行为,研究设计与校核地震作用下大坝的抗震性能,探讨大坝-坝基整体系统在强震作用下的抗震潜力。研究结果表明：设计地震条件下,坝体仅在拱端应力集中区域拉应力超过抗拉强度,压应力则均满足强度要求,坝肩块体稳定,大坝-坝基体系的整体安全性可以保证;校核地震条件下,坝体应力值略有增加,能够满足不溃坝的设防要求;以大坝-坝基代表性的位移、变形量变化曲线的拐点作为评价极限抗震能力的标准,可知拱坝-坝基体系的抗震超载安全系数为2.7,相应的基岩水平向峰值加速度0.729g,拱坝-坝基体系抗剪参数强度储备安全系数为2.0,乌东德高拱坝具备较强的极限抗震能力。     

小湾拱坝变形承载力及整体安全度评价与分析

运用三维非线性有限差分数值分析方法,研究小湾拱坝在多种工况下的应力场和位移场以及蚀变带、卸荷松弛岩体对拱坝安全度的影响。坝体建基面的抗剪验算表明小湾拱坝建基面的面安全度偏低,其主要原因除了小湾拱坝所受水推力超大外,建基面上由于开挖引起的岩体松弛效应也是重要原因。分析表明坝踵部位的受拉屈服范围已经接近于帷幕位置,必须引起重视并采区必要的防范措施。坝体分别按线弹性和非线性弹塑性进行超载分析,上游水压力超载引起小湾拱坝丧失承载力的安全度,前者约为6.5,后者约为3.5,因此小湾拱坝的整体安全度为3.5,应受坝体强度控制,右岸坝基安全度小于左岸。根据屈服破坏区的分布指出在右岸高程1 160～1 190 m之间由于坝肩下游深沟和蚀变带的存在,在超载系数大于5.0时,该将出现贯通性屈服。     

清江隔河岩重力拱坝坝体与复杂地基相互作用的三维有限元分析

本文介绍了建在复杂地基上的清江隔河岩重力拱坝的三维有限元分析。计算模型考虑了坝基岩体岩层的倾斜错位,三条大断层与二个沿层面方向的软弱夹层等复杂的地质因素。计算了静水压力、坝自重、扬压力及温度应力等荷载,其中包括地基三维渗流场和温度变化场的计算。坝体结构复杂且呈左右不对称状。计算模型所涉范围约 1400X900X600m~3。有限元网格包括各类单元1845个,节点总数达3280个。采用超松弛迭代法求解。分析中应用了三线透视图象和后处理软件系统。此项计算规模巨大、处理问题复杂的三维有限元的各项计算分析结果均为合理。为设计单位提供了重要依据,对于正在建设中的隔河岩大坝具有重要的实用意义。     

基于数值流形法的重力坝水力劈裂研究

运用数值流形法在非连续介质领域的独特优势,并结合断裂力学的基本原理,分析了重力坝的水力劈裂破坏问题,实现了重力坝起裂、扩展和渐进破坏的全过程。充分发挥应力强度因子判别法和带抗拉强度的摩尔-库仑破坏准则各自的优势,根据不同情况选取其中某种方法确定断裂和扩展方向,且不需要预制初始裂纹。选取一个算例两种工况分析了重力坝在不考虑裂纹面内水压力和考虑裂纹面内水压力的水力劈裂破坏情况。计算结果表明,在重力坝的水力劈裂中,当不考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹向下游和深部扩展,上游折坡点处裂纹属于压剪型破坏;当考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹偏向深度方向扩展,折坡点处的裂纹逐渐由压剪破坏变成了拉剪破坏,并且考虑裂纹面内水压力后坝体破坏所需要的时步减少,故而考虑裂纹面内水后降低了重力坝的安全系数。该方法加深了对重力坝水力劈裂破坏的认识,具有较大的实际应用价值。     

高拱坝基础不对称性及其加固效果研究

高拱坝工程基础地质及地形条件的不对称是威胁拱坝安全的重要问题。以白鹤滩高拱坝作为工程实例,通过地质力学模型试验重点研究基础不对称的高拱坝应力、变形及破坏模式的特点。针对初始方案和改进后方案分别建立三维数值模型,并进行弹塑性有限元超载计算。对比分析两方案坝体变形、坝肩应力分布、局部和整体稳定性等的不同,并结合试验现象,分析和评价针对基础不对称性的改进措施的加固效果及加固机制。结果表明:体形不对称性设计及基础加固的协同作用能有效改善坝体变形对称性、坝肩应力状态和传力效果,并提高拱坝-地基系统的整体稳定性。白鹤滩拱坝不对称性问题的研究对深入高拱坝设计优化和工程加固的认识具有重要意义。     

五嘎冲拱坝坝肩加固效果分析及整体安全度评价

五嘎冲拱坝右岸坝肩由于存在张性裂隙、软弱层以及泥化夹层等地质缺陷,坝肩抗滑稳定不能满足要求而采取加固措施。根据工程最新揭示的地质资料、拱坝结构设计成果以及加固处理措施,建立拱坝–地基整体三维数值模型。采用满足Mohr-Coulomb屈服准则的节理单元,模拟基岩中张性裂隙、软弱夹层、层间泥化夹层等构造。采用非线性有限元法,对加固前后坝基岩体及结构面的变形、屈服区进行对比分析,评价右岸坝肩加固处理措施的有效性,采用水容重超载法分析拱坝坝体和地基岩体的变形以及屈服状态的发展过程,给出加固处理后拱坝–地基系统的整体安全度,结合工程类比,综合评价五嘎冲拱坝的整体安全性。计算成果表明,针对右岸L1张性裂隙所进行的加固处理措施可明显提高右岸坝肩的稳定性,加固效果显著,五嘎冲拱坝坝肩加固处理后超载安全度较高,处于高坝工程的偏上位置。     

灰色关联度分析法在水库渗漏分析中的应用

利用水化学资料,针对某水库下游面和右坝肩渗漏水来源采用灰色关联度分析法进行了识别,并利用水化学分析方法进行对照,结果表明:水库右坝肩渗漏水主要来自水库水绕坝渗漏,而大坝下游面渗漏水则主要来源于地下水,其通过地下水腐蚀坝体形成渗漏在坝前渗出,其灰色关联度分析结果与水化学分析得出结论一致,为水库渗漏的进一步防治提供了参考依据。     

吴岭水库枢纽工程渗流分析

对湖北省京山县吴岭水库枢纽工程中土坝剖面进行了有限元渗流计算，分析了大坝基础部位的残坡积土和强风化砂岩的强透水性以及下游排水体对于大坝渗流场的影响，指出现有坝体断面设计的不合理是导致大坝下游坡面散浸的原因，为大坝的工程处理提供了依据，也为今后土坝设计提供了借鉴。     

地质力学模型试验中软弱结构面内埋式位移系统的研制与应用

在高拱坝坝肩稳定地质力学模型试验研究过程中,坝肩岩体内各软弱结构面的相对位移变化趋势是判定坝肩失稳及分析坝肩整体稳定安全度的重要参考依据。目前的量测仪器,如电阻应变片、表面位移计只能对坝体应变和坝肩抗力体表面位移进行量测,而对于坝肩岩体内软弱结构面的相对位移则难以获取。因此,针对上述问题,以电阻应变技术为基础,研制了用于获取结构面相对位移的内埋式位移系统,该系统由信号采集仪器、惠斯通电桥和位移传感器组成。在模型试验中,通过内埋式位移系统,获得加载过程中相应测点的应变变化过程,再由应变-位移关系曲线,即可得出位移值。结合锦屏一级高拱坝整体稳定地质力学模型试验,将该系统安装于需量测的坝肩软弱结构面上,获得了结构面在加载过程中的位移变化过程线,同时与大坝应变和坝肩表面位移监测成果进行对比分析,验证了内埋式位移系统的可行性,其测试成果可为判定坝与地基的整体稳定提供依据。     

Study on collapse settlement and cracks of core wall rockfill dams under wetting deformation

The safety and stability of core wall rockfill dams during impoundment are threatened by the wetting deformation of up-stream shell materials. The serious wetting deformation not only aggravates the collapse settlement of upstream rockfill but also intensifies differential settlement of the dam crest during impoundment, and then causes cracks on the dam crest. On the basis of the proposed wetting deformation model and its simulation method of wetting deformation, this paper simulated the impoundment process of Guanyinyan core wall rockfill dam and studied the deformation characteristic of the dam during impoundment. In addition, the smeared cracking model was used to simulate the crack propagation on the dam crest, and the crack develop and spread mechanism was analysed. The results show that the simulated deformation can fit the in-situ data well, and the simulated crack propagation is in good agreement with the actual situation. Once watered, the upstream rockfill and core wall have significant settlement, and the whole dam crest has obvious horizontal displacement towards the upstream. It is on the same order of magnitude that the increment of horizontal displacement and settlement at the top of the dam during impoundment. In the process of impoundment, the upper part of the dam tends to deform towards the reservoir area, which will lead to tensile cracks appearing in the rockfill areas on both upstream and downstream sides of the core wall of the dam crest, and the propagation direction of the cracks is basically parallel to the adjacent core wall surface. With the water level rising, the cracks on the downstream side of the dam crest mainly extend vertically, and the cracks on the upstream side of the dam crest not only extend vertically, but also extend horizontally.     

Effect of Location and Angle of Cutoff Wall on Uplift Pressure in Diversion Dam

Some facility for the prevention of piping, reducing exit gradient and seepage amount under hydraulic structures, is construction of cutoff wall and drain. Therefore, this study compares the efficiency of cutoff wall on some design parameters in an assumed diversion dam cross-section. For this purpose, different placements of cutoff wall with various angle of inclination were used in the dam foundation. Results of this study showed that minimum uplift pressure happens when cut off wall is in the heel (upstream) of the dam. With fixing of longitudinal cut off wall placement, inclination of cutoff wall respect to the vertical position, results in reducing of uplift pressure. Effect of inclination of cutoff wall in upstream of the dam; respect to vertical position, in reducing of uplift pressure is very high.     

吉林抚松老松江水电站坝基和坝体应力应变分析

以岩土力学为基础的土坝设计方法,能够定性和半定量地分析坝体和地基稳定性、估算坝体和地基的沉降量,而不能全面分析地基和坝体内部应力应变状态.采用邓肯E-K模型,对水电站坝基和坝体在填筑和蓄水条件下的应力和变形进行了动态模拟计算,结果表明,坝体和心墙垂直和水平变形在竣工和蓄水期均符合规范要求,心墙在蓄水期间不会产生水力劈裂.     

复杂岩溶水系统势汇区建坝成库可行性研究

北盘江流域沿线山高谷深,岩溶水文地质条件复杂,局部区域水资源短缺,岩溶渗漏问题成为水利水电工程建设的瓶颈。文章综合地质调查测绘、钻探及物探、水文地质试验、岩溶水系统分析、地下水均衡分析等方法,论证了PCH水库不会发生邻谷渗漏及绕坝基深部的岩溶管道型渗漏,但发生溶隙型渗漏的可能性较大。采用有限元法模拟溶隙渗漏显示:随着T₁yn1-1灰岩溶蚀率的增大,坝基抗滑稳定系数稍有降低,潜在失稳模式为后缘剪断T₁yn1-2岩体,前缘沿T₁yn1-2层内岩屑夹泥型软弱结构面剪出;坝基渗漏量呈线性增加,T₁yn1-1灰岩溶隙密集带为坝基主要渗漏区。当溶隙密集带沿T₁yn1-1灰岩与T₁yn1-2泥灰岩接触带水平发育且集中分布时,坝基抗滑稳定系数将明显减小,坝基渗漏量将明显增大;当溶隙密集带垂直发育、分散发育或主要分布于坝后区域时,其对坝基抗滑稳定及坝基渗漏量影响微弱。岩溶水文地质分析及数值模拟均显示,复杂岩溶水系统势汇区下游区域多以溶隙渗漏为主,其工程影响有限,具备建坝成库条件。      

Darcian flow under/through a leaky cutoff wall: Terzaghi–Anderson's seepage problem revisited

An analytical solution is obtained for 2‐D steady Darcian flow under and through a cutoff wall partially obstructing a homogeneous isotropic foundation of a dam. The wall is leaky; that is, flow across it depends on the ratio of hydraulic conductivity of the wall and the wall thickness that results in the third‐type (Robin) boundary condition along the wall, as compared with the Terzaghi problem for an impermeable wall. The Laplace equation for the hydraulic head is meshlessly solved in a non‐standard flow tube. A Fredholm equation of the second kind is obtained for the intensity of leakage across the wall. The equation is tackled numerically, by adjusted successive iterations. Flow characteristics (total Darcian discharge and its components through the wall and the window between the wall top and horizontal bedrock, stream function, head distribution, and Darcian velocity along the wall and tailwater bed) are obtained for various conductivity ratios, head drops across the structure, thicknesses of the foundation, and the degree of its blockage by the wall. Comparisons with the Terzaghi limit of an impermeable wall show that for common wall materials and thicknesses, the leakage may constitute tens of percent of the discharge under the dam. The through‐flow hydraulic gradients on a vertical wall face (Robin's boundary condition) as well as the exit gradients along a horizontal tailwater boundary (Dirichlet's boundary condition) acting for decades have deleterious impacts on dam stability because of potential heaving, piping, and mechanical–chemical suffusion. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

水平岩土层实体拦砂坝基底水压力研究

基于连续性方程、达西定律和伯努利表达式,在合理的假设条件下,本文推导了水平岩土层的实体拦砂坝基底处关键点的水压力解析式,通过与数值模拟(Autobank有限元程序)对比可知,本文解析式与数值分析结果误差非常小,其误差基本控制在1%以内,该解析方法是可靠稳定的。本文还进一步讨论了该方法的应用价值,依据得出的水头,可计算构筑物下游x处的水力坡降,判断构筑物下游土体的渗透变形类型,也可估算需要处理的范围以及对护坦长度的设计提供依据。依据相关文献结论,提出运用该解析式计算有坡度的沟床的拦砂坝基底扬压力偏于安全,并且提出了该解析式计算实体拦砂坝底部水压力是否需要考虑“地基的有效深度”对基底水压力的影响问题,此问题还需要进一步研究。     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明：坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明:坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

某大型水电枢纽坝基埋藏型岩溶发育特征及深层承压水研究

作者在现场工程地质勘察、试验基础上, 对我国西南某大型水电枢纽坝基所遇特殊的复杂埋藏型岩溶、承压水问题进行了研究, 弄清了坝基岩溶、承压水形成条件及发育特性, 对坝址选择及工程处理的决策具有重要意义。     

河谷地形对深覆盖层中防渗墙应力变形影响分析

为研究河谷地形对深厚覆盖层中防渗墙应力、变形的影响,以某沥青混凝土心墙堆石坝为工程背景,模拟了狭窄河谷和宽深河谷并分别建立有限元模型,坝体材料及覆盖层采用邓肯-张E-B模型,防渗墙与覆盖层、基岩之间的接触关系采用无厚度接触面模拟,进行三维非线性有限元计算,对比分析两种河谷情况下防渗墙的应力、变形情况。计算结果表明：狭窄河谷中,防渗墙沉降和水平向位移及防渗墙与覆盖层的不均匀变形均比宽深河谷小,其中不均匀变形最大减小了24.8%;宽深河谷中,防渗墙受河谷地形约束作用较弱,竖直向压应力较狭窄河谷更大,最大增加了40.3%;防渗墙的竖直向压应力最大值位置受中性点位置和河谷地形的共同影响,其中竖直向压应力最大值约30%来自墙顶坝体土压力,70%来自与覆盖层之间的负摩擦力。其研究结果可为不同地形条件下坝基防渗墙的设计提供参考。