碾压混凝土高拱坝坝肩稳定及坝体开裂静动力分析

强震区高拱坝抗震问题的研究十分重要,高拱坝静力稳定研究和极限抗震能力复核,是确保地震后不发生库水失控下泄的关键课题之一。采用物理模型试验与数值计算的方法,根据汶川震后新核定参数,并考虑降强因素的影响,对沙牌碾压混凝土拱坝进行静动力分析和复核。通过三维地质力学模型综合法静力破坏试验,研究拱坝坝肩在正常荷载作用下的稳定安全性,得到沙牌拱坝坝肩综合稳定安全系数为3.76,建议对两坝肩开裂较严重区域进行加固处理。在此基础上,基于反应谱理论进行三维有限元动力分析,将应力成果导入开发程序由Drucker-Prager（D-P）和Mohr-Coulomb（M-C）准则对加固后的沙牌拱坝进行动力复核计算,并研究大坝的开裂情况和极限抗震能力,计算结果表明,沙牌拱坝的整体抗震稳定性能良好,仅在万年一遇地震工况下发生坝肩浅表层失稳。研究成果表明,沙牌拱坝坝肩稳定性较高、坝肩加固效果良好,从而在“5.12”汶川地震中表现出超强的整体稳定性和抗震能力,其全面开展的研究工作和采取的工程措施可供国内强震区同类型拱坝工程建设及运行借鉴和参考。     

拱坝联合坝肩岩体三维计算模型构建

坝址区复杂的地质条件与岩体力学环境变化,直接影响坝肩岩体抗滑稳定及拱坝的安全。我国西南乌东德超高拱坝坝址区工程地质条件极为复杂。坝体载荷后,区域内地层岩性、断层构造、岩溶系统、拱座内不连续裂隙等自然地质条件,成为影响坝肩岩体稳定性的主要因素。基于可研阶段地质勘探数据、二维地质剖面和工程设计数据,采用面向对象技术、多种软件协同作业,建立自然地质条件和工程对象的几何模型。构建适用于地应力反演分析,坝体载荷、工程开挖等因素影响下坝肩稳定性分析的三维精细有限元计算模型。该三维模型最大程度地模拟了工程岩体复杂结构,为高拱坝坝肩岩体稳定性综合分析提供良好的基础。计算结果表明:河谷两侧近地表地应力带及河床深部地应力区应力水平与实际量测值接近。坝肩槽开挖完成后,右岸拱肩槽800 m高程附近位移值最大达到12.9 mm。两岸9个可能滑动楔块在不同荷载组合条件下有一定差异,整体上左岸坝肩稳定性强于右岸。组合地震荷载作用下,所有楔块安全系数均大幅下降,但仍具有一定的安全裕度。     

基于地质力学模型试验的锦屏拱坝坝肩加固效果研究

锦屏一级高拱坝最大坝高305 m,是目前在建的世界最高拱坝,其坝址区地质条件复杂,存在断层、蚀变岩脉、层间挤压带、节理裂隙及深部裂缝等各类软弱结构面,坝与地基的整体稳定问题突出。为使坝体达到良好的受力状态,满足拱座的抗滑稳定与变形稳定等要求,工程上采取了大量的加固措施,主要有左坝肩垫座、左右坝肩混凝土网格洞塞置换、刻槽置换、传力洞等。加固处理后,坝肩的整体稳定性以及坝肩坝基的加固效果如何是工程上关心的重要问题。采用两个三维地质力学模型,分别开展了锦屏一级高拱坝在地基未加固和加固两个方案下的坝肩稳定综合法破坏试验研究,对比分析了两个方案下坝与地基的变形分布特性、坝肩坝基失稳的破坏机制和整体稳定安全度。结果表明：坝肩坝基加固处理后,坝体及左、右两岸坝肩变位的对称性得到明显改善,变位量值减小;在相同的超载倍数下,加固方案下两坝肩开裂破坏的范围减小,破坏程度减轻,坝肩破坏失稳的超载系数增大,超载能力得到提高;未加固方案拱坝整体稳定综合法试验安全系数为4.7 ~ 5.0,加固方案下安全系数为5.2 ~ 6.0,安全度得到明显提高。综合分析认为,锦屏拱坝采用以坝肩垫座、混凝土网格置换洞塞、刻槽置换、传力洞等为主的加固方案对坝肩坝基起到了良好的加固效果。     

复杂条件下高拱坝应力及坝肩稳定分析

众所周知,研究复杂地质条件下的高拱坝应力和坝肩稳定对确保工程安全具有重要的意义。研究的江坪河高拱坝地质构造较复杂,坝基及坝肩岩体存在大量断层、软弱夹层、泥化夹层和卸荷、风化岩体等地质缺陷,引起两岸坝肩岩体变形不对称、压缩变形量增大以及坝肩局部岩体承载能力低,直接影响到拱坝正常运行和稳定性。因而,对各种工况下的坝体及坝肩岩体进行了三维有限元分析,研究了坝体及坝肩的应力和变形发展状态、可能失稳模式、破坏形态和破坏机制。研究成果表明,未加固时坝肩岩体不稳定,因此,通过研究采用合理的加固处理措施,右岸采用6个传力洞进行加固;左岸采用锚洞进行加固。采取加固措施以后对其进行三维有限元分析,其研究成果表明,加固有一定的效果,改善了两岸的受力状况和变形分布,提高了坝肩稳定性,但左岸坝肩仍不能完全满足规范要求,还需要进一步增加锚洞的面积。     

复杂地质条件下拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究

针对某高拱坝坝址区地质构造复杂,两岸坝肩岩体内存在断层、煌斑岩脉、层间挤压带、深部裂隙等各类软弱结构面等工程地质问题,本文利用三维地质力学模型试验技术,采用强度储备与超载相结合的综合法试验方法,研究了坝体和坝肩从加荷到破坏的整个过程,试验中充分考虑了影响坝肩坝基稳定的各种因素,既考虑拱坝上游超载情况,同时还重点模拟两坝肩岩体中软弱结构面强度弱化的影响。通过试验获得了坝肩坝基的变形及分布特征、失稳的破坏形态和破坏机理。试验结果表明:拱坝整体稳定安全度约为4.7～4.9,拱坝的基础处理效果较好,并针对坝肩的薄弱环节提出了加固处理措施建议。     

武汉高腊梅水库大坝安全研究

在调查高腊梅水库大坝所处地形地貌、地层岩性、地质构造与地震及水文地质等地质环境条件的基础上,研究了坝体、坝基及坝肩的工程地质特征,对坝体的稳定性、填筑土的渗漏,坝基及坝肩岩（土）体的渗透等问题进行了评价.对可能产生的工程地质危害及应采取的加固处理措施等提出了有针对性的建议.     

下坂地水库大坝坝坡稳定敏感性分析研究

在深厚覆盖层基础上建坝,有其经济、工期以及环境保护的优势,但同时也存在着限制条件和技术难度。下坂地水利枢纽大坝是建在深厚覆盖层基础上、高烈度设防的沥青混凝土心墙坝,深覆盖层坝基夹有有粉细砂透镜体,在坝体设计过程中,基于刚体极限平衡法分析大坝边坡稳定性,并对坝基粉细砂层和复核地震工况进行敏感性分析进而确定坝坡;从计算结果可以看出,在各种工况下,大坝均处于稳定状态,不会发生整体破坏。通过反复校验和大坝多年运行状况证明,大坝坝坡设计是合理的,并且具备一定的抗风险能力。     

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。     

堆石坝地震响应和地基液化分析

利用冶勒大坝已经获得的强震监测资料进行大坝坝体及覆盖层动力参数反演,采用三维非线性有限元动力分析方法,分析冶勒大坝在其已经遭遇的最大地震,即4级地震作用下的坝体动力加速度状况,并根据计算结果判别坝基覆盖层的液化情况,进而对冶勒大坝在所遭受的4级地震下的抗震安全性作出评价。其中坝体堆石料及覆盖层砂粒料静力计算时采用邓肯E-B模型,动力计算是采用Hardin模型,地震响应分析采用等价线性法。     

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。     

基于超载法的拱坝坝肩地震动力稳定性方法研究

拱坝坝肩地震动力稳定性一直是工程界关注的一大热点,然而对坝肩动力稳定性的评判方法和标准的研究还不成熟。为完善坝肩动力稳定分析方法,将有限元法与刚体极限平衡法的优势相结合,提出了地震动力超载方法以及极限累积位移评判标准。首先,基于有限元法开展实时动力分析,对坝肩可能的滑移块体采用多重网格应力插值求任意时刻的阻滑力和下滑力,确定其主滑方向,而后采用刚体极限平衡法计算每个滑块的动安全系数;同时,对瞬时动安全系数小于1.0的时段,进行加速度积分,求出滑块累积失稳位移。结合滑块尺寸及滑动面强度参数提出极限累积位移计算公式作为失稳判据,通过比较累积位移与极限累积位移判定滑块的稳定性。基于以上思路开发了一套坝肩动力稳定分析系统SAFEDAM。以沙牌拱坝经受反映5.12地震的人工波为例,开展了沙牌拱坝坝肩动力超载稳定分析,验证了极限累积位移判据的合理性。研究表明,沙牌左岸坝肩超载稳定安全倍数Kp0 =3.2,右岸坝肩超载稳定安全倍数Kp0 =4.2。工程实例计算表明,该方法计算坝肩动力稳定性使用较为方便可靠,具有较大的工程实用价值,为坝肩动力稳定性分析和评价提供了一条新路径。     

一种基于安全因子判据的坝肩裂隙岩体动力抗滑稳定分析方法

基于某混凝土拱坝,结合现行拱坝设计规范,研究提出了一种基于安全因子判据的坝肩岩体动力抗滑稳定安全度分析方法。该方法综合利用有限元和（刚体）极限平衡两种方法的优点,考虑了凝聚力和摩擦力是不同的抗力,其不确定性具有较大差异性,定义了抗滑稳定安全因子,据此来判别坝肩岩体的抗滑稳定安全度,安全因子随着凝聚力与摩擦力所占权重不同而变化,这种方法既考虑了坝肩岩体与坝体的联动作用,又能够反映拱坝体系真实的工作性态。通过某混凝土高拱坝工程实例,分析了坝肩裂隙岩体的抗震稳定性,结果表明,该方法具有较高的实用价值。     

乌东德水电站左岸拱座长大结构面工程地质特征及其影响研究

拱坝所承受的荷载大部分都通过拱的作用传到两岸拱座岩体,拱坝所具有的一切优点都是建立在拱座稳定的基础上的,因此拱座是确定拱坝稳定的关键部位,拱座变形及抗滑稳定问题是拱坝建设中的关键工程地质问题之一。乌东德水电站左岸拱座在开挖过程中揭露两条长大结构面。本文从工程地质条件着手,在可研阶段的研究基础上,布置专项勘探,并充分利用施工揭露,查明了结构面的空间分布特征;利用大比例尺编录及物探测试,实现了结构面充填物性状的定量化研究;在此基础上,结合工程地质评价及数值计算分析结构面对拱座稳定性的影响。研究结果表明,这两条结构面为典型灰岩地区后期溶蚀作用改造前期构造痕迹形成的溶蚀性小断层,充填物以钙质胶结为主,胶结紧密,局部溶蚀性状较差,充填物中软弱物质断续分布,多为坚硬岩体直接接触;受其空间分布特征影响,结构面会引起拱座岩体局部应力集中,但对拱座抗滑稳定性无影响。所获得的成果基本形成了拱座岩体长大结构面工程地质特征及其影响研究的系统方法,可应用于现场实际工程,对拱坝的勘测、设计等具有重要的理论和实践意义。     

基于蓄水期反演的锦屏一级拱坝极限承载力分析

锦屏一级拱坝坝高为305 m,是世界上最高的拱坝。但是,其坝基岩性较差,f5、f8等断层在建基面出露,基础严重不对称等地质复杂性给锦屏一级拱坝的极限承载力分析评价带来很多不确定性。基于变形加固理论,使用三维非线性有限元程序TFINE,采用直接法和正倒垂测点监测值反演蓄水期坝体混凝土弹性模量和基础变形模量,并验证反演参数在锦屏一级蓄水期预测和极限承载力分析中的适用性。使用反演参数,对坝体正常运行的应力、位移进行仿真分析;采用屈服区、不平衡力、塑性余能范数、整体稳定性安全系数等指标,基于工程类比法,全面评价锦屏一级拱坝的极限承载力。对比反演参数和设计参数的计算结果,验证了设计参数的可靠度。结果表明,锦屏一级拱坝起裂安全系数K1为2倍超载,极限承载安全系数K3为8倍超载,锦屏一级拱坝具有较高的极限承载力,整体稳定性是有保证的。     

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。     

深厚覆盖层上高土石坝极限抗震能力分析

针对强震区深厚覆盖层上高土石坝的特点,在三维真非线性有效应力地震反应分析基础上,提出了一套深厚覆盖层上高土石坝极限抗震能力的研究方法。从稳定、变形、防渗体安全等方面,对建在深厚覆盖层上的长河坝高心墙堆石坝的极限抗震能力进行了研究和分析。根据坝坡稳定性、地震残余变形、液化可能性、单元抗震安全性、防渗心墙及坝基防渗墙安全等多角度的评价结果,初步认为,长河坝的极限抗震能力为0.50～0.55g。     

金沙江某高拱坝坝肩变形稳定计算分析

为了论证和评价金沙江拟建某水电站高拱坝坝肩岩体的变形稳定性,应用有限差分程序FLAC3D对坝肩岩体在天然状态和荷载后的应力、变形和破坏的发展特征模拟研究,分析了坝肩岩体在正常工程荷载下的变形特征及超载状态下变形破坏特征,结果表明坝肩岩体在正常工程荷载下处于稳定状态,得到了坝肩岩体在超载条件下的变形破坏机制,并评价了坝肩岩体的整体稳定安全度和超载能力.