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。     

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。     

应力路径对堆石体变形的影响

通过改变填筑程序,对一200 m级高面板堆石坝工程实例进行了应力-应变仿真模拟,分析表明：采用邓肯E-B非线性弹性模型和中点增量法,可以合理地反映出施工加载过程对坝体变形和结构性态的影响;堆石体的变形与加载的方式有关,相同的应力水平、不同的应力路径,其变形是不同的;对需分期填筑的高面板堆石坝,优选填筑次序对控制坝体变形有明显的作用。结果对工程建设有实际意义。     

堆石料单轴流变试验的颗粒流模拟

岩石断裂力学的亚临界裂缝扩展理论认为微裂缝扩展可导致岩石破碎,即岩石颗粒破碎具有时间效应。根据亚临界裂缝扩展理论,提出了考虑微裂缝扩展导致堆石颗粒破碎时间效应的数值流变模拟新方法,并进行了考虑颗粒不同典型破碎模式的单轴流变颗粒流数值试验。在对比数值与室内流变试验曲线的基础上,分析了数值流变过程中颗粒破碎情况与颗粒体内部结构发展过程等。研究成果表明,两种试验手段得到的堆石流变的发展趋势基本一致,由微裂缝扩展引起的颗粒延时破碎是堆石流变的主要原因之一,深化了对堆石料变形机制的认识。     

水布垭超高面板堆石坝变形控制方法研究

通过对已建水布垭超高面板堆石坝的设计经验总结,从数值分析、工程类比、坝体分区,堆石体材料压实标准、施工填筑程序、面板浇筑时机、面板浇筑时其顶部与临时坝顶的高差等方面探讨变形控制方法,归纳、总结了水布垭超高面板堆石坝变形控制的基本思路,以减小施工期坝体的不均匀沉降,改善面板在施工期、运行期的应力变形状态。     

岗曲河混凝土面板堆石坝三维静力应力变形分析

采用邓肯模型对岗曲河面板堆石坝进行了三维有限元分析,研究软岩填筑层对坝体工作性能的影响,计算混凝土面板与岩石填筑层的位移和应力及周边缝变形。结果表明,由于受到下游堆石3D软岩填筑区的影响,坝体最大横断面最大沉降略偏向下游,总沉降量约为坝高的0.2 %,面板周边缝位移的绝对值一般都小于2 cm,周边缝的止水设计需注意选择合理的止水形式和填缝材料,由于坝址河谷狭窄,受岸坡约束,三维效应对坝体的应力变形影响较明显,为设计施工提供了参考。     

堆石料缩尺方法的分形特性及缩尺效应研究

采用6种不同缩尺方法将同一条现场级配曲线缩制成不同的数值模拟级配曲线,建立以不同粒径范围内颗粒数为测量数的分形模型,研究了颗粒级配分布的分形特性;基于颗粒流方法,生成与级配曲线相对应的6组数值试样进行双轴压缩试验,研究了缩尺方法对数值试样宏观力学特性及细观力学响应的影响;并讨论了颗粒级配分布的分形特性与数值试样力学特性之间的关系。结果表明：采用不同方法缩尺后数值试样的颗粒级配分布具有分形特性,分维数D为1.463～1.783;随着缩尺方法相似比尺M的增大,数值试样中细颗粒数量增多,粗细颗粒的充填关系得到改善,力学特性逐步提高;颗粒级配分布分维数D与数值试样力学特性指标之间存在较好的线性关系。     

过水土石围堰下游护坡的溢流设计风险率模型

系统分析河道来流和泄水建筑物结构尺寸的不确定性与过水围堰运行时下游护坡流速水头和设计抗冲流速水头不确定性之间的关系,以及影响围堰下游护坡安全运行的因素。在土石过水围堰最不利流量的分析方法基础上,提出了用围堰下游护坡的流速水头超过设计条件下最不利溢流工况所对应的抗冲流速水头的概率来刻划溢流工况设计风险率。运用可靠性理论的JC法,给出了过水围堰溢流时设计风险率的计算方法,为堰体下游护坡结构及消能防冲设计提供了理论依据。     

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。     

Three‐dimensional numerical analysis of concrete‐faced rockfill dam using dual‐mortar finite element method with mixed tangential contact constraints

Concrete‐faced rockfill dam (CFRD) is a popular alternative to traditional dam types in the last two decades. The modelling of CFRD involves complex multi‐body contact and strong geometry and material nonlinearities. We present a numerical approach for the modelling of CFRDs in this paper. Based on the dual‐mortar finite element method, the presented approach considers different parts of rockfill and all concrete slabs as independent deformable continuum. The multi‐body contacts are modelled using Lagrange multipliers with a weak form segment‐to‐segment contact strategy. To alleviate instability induced by strong geometry nonlinearity in the slab–slab contact, we propose a mixed type of constraints for the tangential contact. A general transformation scheme is introduced to simplify the implementation of contact constraints. Three‐dimensional analysis of Tianshengqiao‐1 CFRD is performed. The nonlinear and time‐dependent deformation of the rockfill is considered. We study the influence of the rockfill deformation on the reliability of the concrete face. Three major concerns of the face, that is, the axial compression, the slab–slab separation and the face‐rockfill separation, are discussed in detail. The numerical results are compared with data from in‐situ observation. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.