自密实堆石混凝土在清油河水库枢纽工程中的应用

堆石混凝土技术是在自密实混凝土技术的基础上发展起来的一种新型大体积混凝土施工技术,其利用自密实混凝土的高流动抗离析性能,在粒径较大的块石内充填自密实混凝土而形成混凝土堆石体,具有低水化热、工艺简便、施工速度快、综合成本低廉、低碳环保等优点。该技术已在水利水电工程上已有较多应用并取得显著成果。简述了堆石混凝土技术的主要特点,介绍了堆石混凝土在清油河水库枢纽中的应用情况,并针对堆石混凝土和浆砌石以及碾压混凝土三种筑坝材料进行比较,得出结论堆石混凝土更优于另外两种筑坝材料。总结该技术的先进性将有助于该技术的推广并可为同类工程提供经验借鉴。     

覆盖层上混凝土-堆石混合坝模型试验研究

混凝土-堆石混合坝由混凝土墙、堆石以及之间的垫层和过渡层组合而成,作为一种新型结构,目前针对其受力机制及变形特性的研究较少。基于此,开展覆盖层上混凝土-堆石混合坝模型试验研究,测得填筑和蓄水期不同高度处墙体的土压力和位移,探讨混合坝的工作机制,最后根据模型试验结果提出了考虑墙体位移的修正土压力计算公式。研究结果表明:在填筑期,堆石处于主动极限状态和静止状态之间,混凝土墙受到的堆石压力较小;蓄水后,堆石接近静止状态,混凝土墙受到的堆石压力比填筑结束时刻增加了一倍左右;修正土压力公式能够较好地反映混合坝在填筑期和蓄水期土压力随墙体位移变化的规律;混凝土墙的抗滑安全系数最小值出现在填筑结束时刻,满足相关要求,说明混合坝对覆盖层有较好的适应性。     

宜兴抽水蓄能电站上库主坝高挡墙土压力分析

宜兴抽水蓄能电站上库主坝为混凝土面板堆石混合坝,下游设高混凝土挡墙,承受上游侧堆石体的土压力,以减小工程量,土压力大小对挡墙稳定至关重要,对高挡墙土压力计算值与实际测量值作比较并进行分析。     

循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体本构模型

中国西部兴建的很多200～300 m高的堆石坝处于高烈度地震区。应力水平高时堆石体的颗粒破碎对其在循环荷载作用下的应力、应变特性有重要的影响。基于广义塑性理论,通过引入状态参数,建立了循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体的本构模型,并给出了模型参数的确定方法。与堆石体在400、800、1 500、2 200 kPa围压作用时的试验结果对比,表明所提出的本构模型可以较好地模拟循环荷载作用下颗粒破碎时堆石体的动应力和动应变响应。     

堆石体粒径特征对其渗透性的影响

堆石体属于典型的多孔材料,其渗透特性与颗粒的形状、大小及分布特征关系密切。研究表明,在渗流速度较大时应对达西定律加以修正。结合堆石体颗粒的概率统计分布模型,建立了堆石体颗粒含量与渗透系数之间的经验关系式,把渗透率和堆石体的粒径特征结合起来。在工程设计中可以通过合理调整堆石体的粒径级配,达到控制其渗透能力的目的。     

基于颗粒流的堆石料三轴剪切试验研究

近年来频发的地质灾害使得深入研究大坝堆石体受力变形机制显得愈发迫切和重要。针对堆石颗粒具有形状极其不规则、咬合作用突出的特点,编写了一个简单易用的程序来随机生成形状不规则的数值颗粒。以正四面体为核,按照晶胞繁衍的方式,生成堆石的仿真颗粒集合体。模拟排水剪切条件下的大三轴试验,通过分析数值试验过程中细观参量的变化规律,探讨三轴剪切条件下堆石体变形的细观机制。分析表明,按照晶胞繁衍法生成的数值颗粒与圆颗粒相比能更好地模拟堆石,由颗粒簇形成的咬合力能形成更真实的力-变形关系;数值试验得到的应力-应变曲线和体变曲线与室内三轴试验结果基本一致;颗粒的破碎速率是联系堆石体宏、细观力学性质的重要纽带,通过分析堆石体颗粒破碎4个阶段细观参量的变化规律,深化了对堆石体变形机制的认识。     

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。     

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。     

堆石料颗粒破碎特性试验研究

颗粒破碎是堆石料的一项基本特性,它对堆石体的变形和强度特性具有明显的影响。对于高堆石坝而言,在高应力场作用下堆石颗粒发生明显破碎,可导致坝体变形率增加。为了正确认识堆石体及堆石坝的变形特性和机理,研究了堆石颗粒破碎特性以及颗粒破碎的影响因素。采用大型三轴试验研究了堆石料的颗粒破碎特性,分析了堆石体干密度、级配特征、堆石颗粒强度等对颗粒破碎的影响,研究了应力状态对颗粒破碎率的影响,建立了颗粒破碎率的计算模型以及颗粒破碎引起的堆石体应变增量与颗粒破碎率的关系。     

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。     

考虑颗粒破碎对特征孔隙比影响的堆石体亚塑性本构模型

颗粒破碎是影响堆石体强度和变形特性的主要问题之一。相比于砂土,堆石料在较低的应力水平下就会发生严重的颗粒破碎,因此,在进行堆石体力学特性及本构模型研究时必须考虑颗粒破碎的影响。同时,堆石体在受力过程中孔隙比是变化的,而传统本构模型不能使用一组参数模拟不同孔隙比的同种材料。因此,以能够考虑应力水平和土体孔隙比影响的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型为基础,考虑堆石体有别于砂土的孔隙比变化特征,提出了考虑堆石破碎的亚塑性本构模型。亚塑性理论是目前可最大限度地减少人为假定的一种本构理论,颗粒材料在不同特征应力路径下,破碎造成的过度变形量不同;但相同应力水平、不同特征应力路径下孔隙比已不满足Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中提出的等比例变化规律。据此,结合考虑颗粒破碎的临界状态理论和堆石体常规三轴试验和循环加载试验结果,提出了考虑颗粒破碎堆石体特征孔隙比的表达式,并将其引入到Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中,建立了考虑颗粒破碎的堆石体亚塑性本构模型,提出了模型参数的确定方法。与堆石体试验结果对比表明,该本构模型可以较好地模拟其力学与变形特性。     

筑坝硬填料三轴试验及本构模型研究

硬填料是一种筑坝新材料,在坝工建设中有广阔的应用前景。其应力-变形特性介于堆石体和混凝土之间。通过进行硬填料不同龄期的大型三轴试验,着重分析了硬填料的胶结作用在不同龄期对应力-应变关系的影响,进一步揭示了硬填料的强度和应力-应变特征。将表征硬填料初始形成状态的堆石体概化为“堆石元件”,将胶凝材料的胶结作用概化为“胶结元件”,进而提出了基于应变一致假定的二元并联概念模型,确定了模型参数并与试验结果进行对比,表明该模型既能描述硬填料应力-应变非线性特征又能描述变形模量随着龄期增长的特征。结合二元并联模型的特点,提出了求取模型参数的简化方法。     

基于扩展Lagrange乘子的Clough接触面模型及应用

双曲线接触面本构模型能比较真实地模拟堆石材料与混凝土面板间的接触关系,扩展Lagrange乘子法能比较精确地计算接触面间接触状态。在吸取Clough双曲线接触面本构关系应用于无厚度的Goodman单元和有厚度的Desai薄层单元的成功经验的基础上,将Clough双曲线接触面模型引入扩展Lagrange乘子法进行摩擦接触问题的求解。介绍了基于扩展Lagrange乘子法的序列二次规划法（SQP）提法,详细推导了在扩展Lagrange算法的非线性接触计算中引入Clough双曲线接触面本构关系的数值列式和实施步骤。数值算例和工程实例的计算结果证明该方法是成功的,能够比较真实地模拟堆石-混凝土墙（混凝土面板）之间的接触状态。     

大型混凝土面板堆石坝的监测和变形研究

混凝土面板堆石坝(CFRD)是世界公认的最经济的大坝类型。由于混凝土面板堆石坝的高度可能超过200米。故其安全取决于正确的设计、施工以及在施工和运行期间对实际操作的监测。影响凝土面板堆石坝安全的主要问题是混凝土面板的变形,在水库蓄水过程中,坝体在水荷载和堆石体变形的作用下,迫使上游混凝土板发生变形。水库蓄水时混凝土面板的位移不应超过最大允许值,这样才能保持混凝土面板的结构完整性。在典型的面板堆石坝中,混凝土面板是在堆石坝施工结束后进行施工的,在水库蓄水过程中,对混凝土面板的位移进行估算并验证这些位移是否低于与混凝土面板结构完整性相适应的位移是非常重要的。由于原始模型参数的不确定性,为了改进和验证模型,需要对大坝及其周围环境进行详细的定点监测。本文通过监测和有限元分析结果,以新疆某水利枢纽工程的主坝为例进行了研究。研究结果:监测结果与有限元分析的实时融合情况表明,混凝土面板的变形在库水位达到最大水位之前就已达到临界值。这些信息可以给工程团队提供启示,以采取适当的行动,从而防止混凝土面板的开裂。     

堆石矮堰清水冲刷历时发展特性

堆石矮堰是常用的"生态友好型"河道整治建筑物。水流经过堆石矮堰会在其周围产生冲刷, 威胁其结构安全。为了提高堆石矮堰清水冲刷尺度的预测精度, 基于室内水槽试验研究了堆石矮堰清水冲刷的历时发展特性, 分析了水流强度、矮堰淹没度和矮堰透水性对冲刷尺度发展过程的影响。结果表明: 清水冲刷条件下, 堆石矮堰下游冲刷坑在试验初期发展迅速, 随后逐渐变缓; 在冲刷发展的任一时刻, 冲刷深度和冲刷长度随水流强度的增大而增加, 随矮堰淹没度的增大而减少, 矮堰透水性的增大使冲刷长度增加, 使冲刷深度减少; 随着冲刷的发展, 冲刷坑纵剖面形态逐渐收敛, 其面积与冲刷深度和冲刷长度的乘积线性正相关。基于理论分析和试验数据, 提出了堆石矮堰历时清水冲刷深度、长度、体积的计算公式, 可用于指导堆石矮堰冲刷设计。     

不同环境条件下堆石料变形特性的试验研究

探讨了对处于受压状态的堆石料进行干湿、冷热变化等环境因素作用下力学性质研究的试验方法。使用新研制的堆石料风化试验仪,对某种泥质粉砂岩堆石料进行了干湿循环、冷热循环以及湿冷-干热耦合变化三种环境条件下的长期变形特性试验研究,探讨了堆石料长期劣化变形的机制。试验结果表明,干湿循环试验和湿冷-干热耦合循环均可导致堆石体产生较大幅度的附加变形,其变形机制包括湿化变形、堆石体颗粒湿胀和干缩循环变形以及堆石料的劣化变形等。环境因素的循环变化可导致堆石体颗粒的劣化,堆石体劣化变形是高土石坝后期变形的重要组成部分。     

天生桥一级水电站面板堆石坝离心模型试验

该工程试验提出了如下研究成果：（１）在二期堆石荷载作用下,一期面板与堆石体边坡之间的脱开度与一期堆石高程的关系,以及防止或减小此种脱开度的工程措施;（２）周边缘止水结构失效时其上填料的渗透稳定性,证明它是一项确保工程安全的有效的辅助渗控措施。     

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。     

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。     

九甸峡堆石料三轴蠕变试验初探

堆石料蠕变变形,是高土石坝设计中关注的主要问题之一,目前尚未很好解决。针对当前高土石坝的需要,采用大型高压三轴蠕变仪进行了堆石蠕变试验。通过试验,对堆石的三轴蠕变试验方法进行论述,并对堆石三轴蠕变试验中的蠕变时间起点、蠕变变形稳定标准进行了讨论,同时建议了三轴蠕变试验中蠕变时间起点和蠕变稳定的参考标准。试验结果表明,堆石的蠕变变形与围压及应力水平有关,特别在高围压、高应力水平作用下,蠕变稳定明显缓慢;在双对数坐标下,蠕变变形与时间呈较好的线性关系,且不同应力状态下的堆石蠕变规律基本相似。