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。     

白山拱坝位移激光监测自动化系统研究

提出用半导体激光发射器结合位敏传感器进行位移测量和利用光学测角仪进行倾角观测的方法解决拱坝变形观测问题。对激光监测自动化系统进行了原理分析、算法推导、精度评定。在白山拱坝的实践表明：本系统精度高，自动化效果好，具有较好的推广价值。     

Earthquake safety assessment of concrete arch and gravity dams

Based on research studies currently being carried out at Dalian University of Technology, some important aspects for the earthquake safety assessment of concrete dams are reviewed and discussed. First, the rate-dependent behavior of concrete subjected to earthquake loading is examined, emphasizing the properties of concrete under cyclic and biaxial loading conditions. Second, a modified four-parameter Hsieh-Ting-Chen viscoplastic consistency model is developed to simulate the rate-dependent behavior of concrete. The earthquake response of a 278m high arch dam is analyzed, and the results show that the strain-rate effects become noticeable in the inelastic range. Third, a more accurate non-smooth Newton algorithm for the solution of three-dimensional frictional contact problems is developed to study the joint opening effects of arch dams during strong earthquakes. Such effects on two nearly 300m high arch dams have been studied. It was found that the canyon shape has great influence on the magnitude and distribution of the joint opening along the dam axis. Fourth, the scaled boundary finite element method presented by Song and Wolf is employed to study the dam-reservoir-foundation interaction effects of concrete dams. Particular emphases were placed on the variation of foundation stiffness and the anisotropic behavior of the foundation material on the dynamic response of concrete dams. Finally, nonlinear modeling of concrete to study the damage evolution of concrete dams during strong earthquakes is discussed. An elastic-damage mechanics approach for damage prediction of concrete gravity dams is described as an example. These findings are helpful in understanding the dynamic behavior of concrete dams and promoting the improvement of seismic safety assessment methods.     

考虑坝体材料非线性的混凝土拱坝地震反应分析

本文基于可信概率水准的破坏性强震作用,针对小湾高拱坝进行了考虑坝体材料非线性的拱坝地震反应分析。在分析模型中,同时考虑了无约束域地震能量辐射效应和近域地基材料非均匀性的影响。为了实现非线性条件下的静、动力组合分析,利用显式有限元结合修正的黏弹性人工边界的开放系统时域静、动力统一分析方法进行了求解,对在自重作用下的初始静力解计算采用了动力松弛技术。     

库水模型及库水深度对拱坝动力响应的影响

基于接触非线性有限元模型,以锦屏一级拱坝为例,库水分别采用附加质量模型、可压缩流体有限元模型、不可压缩流体有限元模型计算了正常蓄水位及运行低水位时坝体的动力响应,结果表明:库水模型对拱坝动力响应有较大影响,随库水深度的增大,各模型计算结果差异增大;相比于流体可压缩模型,采用不可压缩流体模型所得动力响应普遍偏大;运行低水位工况,由于静水压力减小导致拱效应减弱,从而降低了拱坝的整体性,因此运行低水位工况各缝开度普遍高于正常蓄水位工况,且其拉应力范围较大,因此,运行低水位工况将对抗震设计起控制作用。     

拱坝非线性地震反应分析

以乌东德拱坝为对象,进行了拱坝非线性地震反应分析。结果表明:坝体损伤区域明显大于坝体混凝土按线弹性材料计算时最大主应力超过抗拉强度的区域,说明传统方法低估了拱坝的开裂范围,偏于危险;考虑基岩的非线性后,坝体损伤总体上要有所减小;坝基岩体剪胀角对坝基岩体的屈服和坝体混凝土的损伤都有影响,但是规律不明确,因此应该进行基岩剪胀角的敏感性分析。     

高拱坝动力试验模型气幕隔震的数值模拟及试验研究

基于坝体坝基相互作用和流体-气体-固体耦合理论模型,采用动力有限元时程分析的数值仿真方法,对锦屏一级高拱坝动力试验的模型,进行了气幕隔震的三维数值模拟。基于动力试验模型的相似原理、模型材料的单轴抗压强度试验以及超声波检测,得到了试验模型的基本相似物理参数;保证试验模型的基本动力相似;气室材料采用厚度为1 cm的工程塑料ABS,坝体上游面的左、右两岸直接用聚苯乙烯塑料(简称ABS)拉通覆盖,均匀地分布在坝体上游面,达到整体气室隔震的效果。数值计算及试验结果基本相符,气幕显著降低了上游坝面的动水压力。与无气幕相比,动水压力削减可达70%以上。通过数值计算分析及试验研究相结合的手段,论证了气幕减震蕴含的工程价值。     

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。     

拱坝坝肩岩体动力稳定性分析研究方法简述

高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析是高拱坝抗震研究的主要内容之一。从高拱坝的抗震设防标准及动力稳定安全判定准则、坝肩岩体的结构和动力特性、坝肩岩体动力稳定性分析的刚体极限平衡法、离散元法、刚体弹簧元法、拉格朗日不连续变形分析方法、数值流形方法、随机理论与方法等方面对高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析的理论和方法进行系统的归纳和总结,并介绍了各方面的最新进展。可以看出,为满足高拱坝建设实践的需要,应对高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析的理论和方法进行更深入的研究。     

拱坝的动力控制研究

在拱坝坝缝中布置钢筋和阻尼器，可在一定范围内实现控制坝体的动力反应，总体来说，拱向钢筋对坝体动力反应有控制作用，径向钢筋的作用不大；拱向阻尼器的控制效果较好，而径向阻尼器的效果不大。对动力反应的调整方面，对设置有3条缝的坝体的幅度比设置有1条缝的坝体的幅度要大。1条缝坝体同时设置拱向钢筋和阻尼器对梁向动拉应力的调整幅度为－2．846～-4.273MPa，而3条缝的为－2．482～-4.692MPa。