混凝土面板堆石坝蠕变沉降经验模型及其应用

根据岩土材料Merchant、Bergers和Butterfield蠕变模型的基本形式,建立3种预测混凝土面板堆石坝蠕变沉降经验模型。以蒲石河混凝土面板堆石坝为例,采用非线性有限元方法数值模拟堆石坝的顺序填筑过程。根据堆石坝沉降现场观测数据,采用回归分析方法确定3种沉降经验模型中的待定参数,确定堆石坝的蠕变沉降随时间的变化关系。工程实践应用结果表明,所提出的堆石坝蠕变沉降经验模型具有较高的拟合和预测精度,堆石坝的蠕变沉降除与时间有关之外,还与观测点的应力状态和位置以及堆石料的变形模量有关。     

高堆石坝瞬变-流变参数三维全过程联合反演方法及变形预测

利用反演分析得到的参数进行高面板坝的应力、变形分析来预测长期变形。由于堆石坝的施工过程和变形机制比较复杂,很难将瞬时变形和流变变形分开,因此,有必要对静力本构模型参数和流变模型参数进行综合反演。利用实测位移资料,以对堆石坝变形较敏感的静力本构模型和流变模型参数为待反演参数,采用基于粒子迁徙的粒子群算法和径向基函数神经网络构建参数反演平台,该方法克服了粒子群算法易陷入局部最优和早熟收敛的缺点,采用经过训练的神经网络来描述模型参数和位移之间的映射关系,节省了参数反演的计算时间。对水布垭高面板坝的反演结果表明,基于反演参数的沉降计算值与实测值吻合得很好,坝体变形在合理范围以内并趋于稳定。     

堆石料状态相关弹塑性本构模型

堆石料的强度变形特性与初始孔隙及应力状态等因素相关。建立了能够预测不同初始孔隙与初始围压影响的堆石料弹塑性本构模型。在剑桥类本构模型框架内,模型能够反映随着孔隙与围压的增大,变形特性由剪胀趋于剪缩的规律。模型采用了基于颗粒体材料细观结构变化的屈服函数和非关联流动准则,提出了能够反映堆石料正常固结线不唯一的硬化参数。为了反映状态相关性,假定堆石料存在唯一的临界状态面,探讨了考虑状态相关性需要满足的数学条件,从而对剪胀方程与硬化参数进行了修正。提出了基于粒子群优化算法的模型参数快速确定方法,将某筑坝堆石料不同初始孔隙比与围压条件下模型预测结果与三轴试验结果对比,验证了模型的合理性。     

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。     

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     

基于量子遗传算法与多输出混合核相关向量机的堆石坝材料参数自适应反演研究

为进一步提高堆石坝材料参数反演模型的计算精度与适用性,建立了基于量子遗传算法（QGA）与多输出混合核相关向量机（MMRVM）的自适应反演模型。通过引入混合核函数,使所构建的MMRVM能够高精度地模拟材料参数与大坝沉降间的复杂非线性关系,从而代替耗时较长的有限元（FEM）计算。通过利用参数较固化的QGA优化确定MMRVM核参数,使反演模型具有自适应性。以实测沉降数据为依据,充分发挥QGA的全局搜索能力反演筑坝材料本构模型参数。在分析模型所需测点个数与信噪比对计算结果影响的基础上,通过公伯峡堆石坝应用实例证明：QGA-MMRVM可快速、精确地反演堆石坝筑坝材料本构模型参数,模型凭借其自适应性在实际工程中具有良好的应用前景和推广价值。     

白山抽水蓄能泵站地下厂房的岩体力学参数反演

根据白山抽水蓄能泵站地下厂房开挖过程中的变形观测数据,提出了一种基于响应面法的岩体力学参数反演方法。该方法利用响应面函数建立了岩体力学参数与围岩变形之间的非线性关系。通过有限元数值模拟确立了响应面函数中的系数。定义参数反演的目标函数,将参数反演问题转化为优化问题。分别采用拟牛顿优化算法和遗传算法求解参数反演的目标函数,得到了地下厂房的岩体力学参数。根据反演确定的岩体力学参数,对地下厂房围岩的开挖变形进行了数值模拟,研究表明,有限元模拟的地下厂房与现场观测值基本一致,验证了反演方法的有效性。     

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。     

基于响应面法的高堆石坝瞬变-流变参数反演方法

如何准确确定原级配堆石体的力学参数是高堆石坝建设中亟待解决的一个关键问题,参数反演是解决这一问题的可行方法之一,传统的参数反演方法因需要进行大量的有限元正分析,其计算工作量大,反演效率较低。响应面法可以有效克服以上问题,但已有方法仅针对堆石体的瞬变参数,未考虑流变参数,不能满足堆石坝长期变形预测的需要。综合考虑瞬变和流变参数,通过构造更加合理的响应面函数,提出了基于响应面法的高堆石坝瞬变-流变材料参数反演方法,大大提高了反演的效率和精度。以水布垭面板堆石坝为例,采用该方法对坝体瞬变和流变参数进行了反演分析。反演结果表明,计算值与实测值在数值和变化规律上总体符合较好,反演结果合理可靠且更加高效。     

考虑颗粒破碎效应的堆石料静动力本构模型

为合理反映颗粒破碎对堆石料力学特性的影响,基于试验结果分析,得出了堆石料在压缩和剪切作用下的颗粒破碎特性规律。通过引入压缩破碎和剪切破碎的相关参数,借鉴已有本构模型的合理定义,吸收临界状态理论和边界面理论的优点,发展了考虑颗粒破碎和状态相关的堆石料静动力统一弹塑性本构模型,并阐述了模型参数的确定方法。该模型不仅能够反映堆石料在静力荷载作用下的低压剪胀、高压剪缩、应变软化和硬化等特性,还能够反映在循环荷载作用下应力-应变的滞回特性和残余变形的累积效应。最后为验证模型的合理性,分别对堆石料的静力三轴和循环三轴试验进行了数值模拟预测,结果表明：模型预测与试验数据吻合良好,所提出的本构模型能够合理地描述颗粒破碎对堆石料静动力变形特性的影响。     

Study on wetting deformation characteristics of coarse granular materials and its simulation in core-wall rockfill dams

The wetting deformation of coarse granular materials is often considered to be an important cause of the core wall rockfill dam cracks during impounding. By analyzing existing research results, this paper proposes a hyperbolic relationship between the wetting axial strain and wetting stress level and puts forwards a warped surface relationship among spherical stress, shear stress, and the ratio of wetting volumetric strain to wetting axial strain. To illustrate its practicability, the wetting strain model's parameter determination process is introduced and the rockfill materials wetting parameters are determined using the triaxial wetting test data. Moreover, the collapse settlement of Guanyinyan rockfill dam during first impounding is numerically simulated using the proposed method to calculate rockfill wetting deformation and verified by field measurements and monitoring data. The results show that the calculative method of wetting deformation proposed in this paper is reasonable and practical; the wetting deformation of upstream rockfill materials would cause an adverse deformation trend, which may lead to crack occurrence at the upstream slope and dam crest; and the Guanyinyan rockfill dam cracks on the top of junction mainly caused by the wetting deformation of upstream rockfill.     

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.     

高填石路堤蠕变本构模型及其参数反演分析与应用

结合高填石路堤工后沉降变形机理与工程特点，基于工程实测数据，提出了高填石路堤工后沉降蠕变变形的双曲线型三参数本构模型，并引进遗传算法与有限元分析理论，建立了该模型参数的反演分析方法。在此基础上，利用蠕变有限元分析手段，深入探讨了高填石路堤工后沉降的分析计算方法，并开发了相应的分析计算软件。结合某高填石路堤工程实践，探讨了高填石路堤双曲线三参数蠕变本构模型和高填石路堤工后沉降计算的应用方法。工程实例分析表明，提出的本构模型及其工后沉降计算方法简单，可以满足工程要求，初步建立了一种新的高填石路堤工后沉降计算方法。     

面板堆石坝筑坝材料动力特性试验研究

某抽水蓄能电站上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝,坝址区地形地质条件复杂且处于强震区,需研究其坝体和坝基料的动力特性。采用清华大学大型高压多功能静动三轴试验机,对坝基和主要坝体材料进行了动弹性模量与阻尼比试验和动残余变形试验。试验结果表明,与普通堆石料相比,软岩次堆石料和覆盖层料的动弹性模量较低且变形较大,但其动应力应变关系与动变形特性同样可以分别用修正的黏弹性动本构模型和残余变形经验公式进行描述。此外,根据动力试验结果初步论证了利用软岩和直接在覆盖层上筑坝的可行性。     

堆石非线性强度特性对高土石坝稳定性的影响

抗剪强度指标的选择对大坝坝坡稳定性评价有着十分重要的影响。堆石料抗剪强度具有明显的非线性,在高坝中这一特点更为显著。因此,计算堆石坝坝坡稳定安全系数时应采用非线性指标,而不是传统的线性指标。讨论了不同的堆石料抗剪强度模型、计算参数取值标准、非线性指标的稳定分析方法以及允许安全标准问题。统计分析了171组822个三轴试验结果发现,邓肯非线性指标对堆石料抗剪强度的模拟误差要小于线性指标和德迈洛非线性指标。采用不同的抗剪强度指标计算261.5 m高的云南糯扎渡大坝坝坡的稳定性。结果表明：各种工况下线性有咬合力、邓肯非线性指标与德迈洛非线性指标3种方法得到的安全系数和滑裂面位置都十分接近,非线性指标计算的结果并不比线性指标高。因此,进行非线性分析时,现有规范规定的基于线性指标的允许安全系数标准无需改变。     

观音岩水电站混合坝接头结构形式研究

将无厚度接触摩擦单元,引入观音岩混合坝接头的堆石体与混凝土挡墙之间的接触面力学行为进行模拟。采用Ducan双曲线E-B模型模拟堆石体及心墙的本构关系,考虑堆石坝的实际填筑施工过程和水库蓄水过程,对接头处的结构形式进行了接触面坡度变化和水平面上转角变化的敏感性分析,以揭示竣工期和运行期不同接头结构形式接触面上的法向应力、接触状态和可能发生水力劈裂的范围,推荐最优的接头结构方案。大坝连接坝段的三维非线性仿真分析结果表明,心墙接触面上的法向正应力均为压应力,接触面坡度越陡,接触面法向压应力越小;混凝土挡墙向上游转动的转角越大,法向压应力越大。综合来看,插入式方案4的接头部位的综合防渗性能最好,因此推荐该方案为混合坝接头的结构设计方案。