面板砂砾石坝异常渗流及破坏机制探讨

利用非饱和土渗流理论,对沟后面板砂砾石坝进行了三维渗流场分析.通过渗流计算表明:渗注场受面板纵向缝止水失效的影响不大,仅仅呈现垂直人渗的特征.面板顶部与防浪墙接缝止水失效单独作用时仅能饱和坝体顶部小范围土体.面板在一定范围与坝体脱开、坝体填料渗流性质各向异性、库水位漫过防浪墙底板,这些异常情况的组合导致了坝体渗透破坏.异常状态渗流发生时,坝体顶部区域饱和,而坝体中部仍存在非饱和区,坝体下部饱和区相应点处孔隙水压力值则无明显提高.     

面板砂砾石坝异常状态渗流计算及稳定分析

运用非饱和土渗流与强度理论,把渗流计算的水力条件用于边坡稳定分析之中,对沟后面板砂砾石坝进行了渗流场分析与边坡稳定计算,得到一些新的结论,可补充以前相关的研究结果。计算结果表明:坝料填筑分离造成的渗透各向异性尽管使浸润线升高,但是由于水平排水能力的提高反而使坝体的孔隙水压力总体上降低,从而也就提高了边坡的抗滑稳定安全性;当顶部面板与坝体脱开并导致异常状态渗流时,坝体顶部有一饱和区并且渗流出逸点很高,但坝体中部仍未饱和,异常状态渗流增加的孔隙水压力有限,对坝坡的抗滑稳定影响也很小,因此,按照最高浸润线的位置确定孔隙水压力进行抗滑稳定计算会导致错误的结果;坝顶异常状态渗流增加的孔隙水压力并不会导致下游坝坡滑动失稳,而坝体顶部渗透破坏会导致局部坍塌,最终发生溃坝事故。     

加筋土石坝小型振动台模型试验分析

土石坝振动台模型试验是认识坝体地震破坏过程和检验抗震措施效果的重要手段之一。针对2种坝体材料,利用小型振动台,开展了一系列不同加载工况、不同加筋方式的土石坝小型振动台模型试验。试验结果表明:①2种坝体材料的初始破坏都首先从坝顶开始,表明坝顶是抗震的关键部位,与已有研究成果基本一致;②相同加载条件下,级配较差的碎石料模型坝的抗震性能优于砂砾石料,表明相对于级配,堆石料自身的性质对土石坝抗震性能的影响更大;③由细铁丝网和纱布组成并在坝坡采取包裹处理的复合加筋的抗震措施,抗震效果优于平铺纱布、平铺纱布且在坝坡包裹处理、平铺细铁丝网等的抗震措施。研究成果可供进一步开展土石坝大型振动台模型试验的材料选择、抗震措施设计等参考。     

土石坝震损机理及震害影响因素研究

汶川8.0级地震造成主震区四川省境内1997座水库的坝体、溢洪道、输水管、管理房等水利设施不同程度的损毁,不仅无法实现水利功能,而且面临洪水威胁.汶川地震中土石坝典型震害包括裂缝、滑坡、渗漏以及坝体沉陷等.在调查主震区土石坝地震损毁特点的基础上,分析了均质土坝、面板堆石坝、心墙坝等坝型主要震害产生的原因,阐述了影响土石坝震害程度的诸多因素及其作用方式,控制性因素主要有外部因素如场地类别、地震动参数,坝体内部因素如坝料特性、坝型及坝高、坝坡坡率等.     

非饱和土石坝渗流分析

传统的渗流分析主要考虑饱和区而忽略非饱和区内的渗流,本文基于饱和-非饱和渗流计算原理,采用有限元法考虑了非饱和区渗流的影响,并以各向同性均质坝和心墙土石坝为算例进行计算分析。算例表明,由于基质吸力产生的虹吸作用,使得浸润线上部的非饱和区内也存在着连续的水流,通过分析这种水流的特点,定性地得出其对土石坝渗流稳定性的影响。     

堵江滑坡坝的溃坝方式模拟与环境效应分析

大型堵江滑坡坝的溃坝方式决定了溃坝洪水的流量、演变及其对下游生态、地质的影响。实地调查岷江上游分布的大量古堵江滑坡土石坝后,重点对扣山古堵江滑坡坝形成的地质环境和坝体的几何特征、溃口形态进行了野外勘察,并用坝体土石样品进行了室内大型土工试验。考虑湖水、坝体渗流和岩土体的耦合作用,采用基于有限单元法的数值模拟软件,进行了古堵江滑坡坝的稳定性分析,模拟结果显示,该天然堵江滑坡坝的溃决方式为漫坝瞬时全溃,溃坝洪水将对沿岸及下游地区的生态环境产生巨大的影响。     

考虑上游洪水因素下土石坝溃决流量研究

当土石坝坝体上游遭遇超标准洪水时,坝体往往会发生漫顶溃决灾害。为了预测溃口溃决流量,采用逐渐溃决方式和水量平衡原理的方法,对宁夏市旗眼山水库进行模拟。计算结果表明:当溃口扩展到第84 min时,溃口流量达到最大值,为3 284. 75 m3/s,对应的坝前水位1 189. 76 m,总的下泄流量亦达到最大值,为3 404. 75 m3/s;计算得出的土石坝溃口处流量值处于二分之一溃坝和全溃理论计算值之间,较符合土石坝的溃决情况,可以为水库下游防洪预警方案的制定提供参考。适当的增加溢洪道和泄洪洞的泄流能力,可以有效地消减溃坝洪水的峰值流量,并且减少洪峰流量对下游城市的淹没风险。     

爆炸荷载下土石坝动力响应特征的数值模拟

土石坝在爆炸荷载下的力学响应是一个非常复杂的力学问题,相关研究甚少。在LS-DYNA软件框架内,以两河口土石坝为研究对象,把坝体材料简化为混凝土、心墙、反滤层与堆石体等4种,用500 kg TNT在坝顶接触爆炸时的瞬态荷载作为荷载源,针对不同材料建立适合于爆炸高加载率特征的本构模型,用数值方法分析了土石坝在潜在爆炸荷载下的破坏与损伤演化规律。结果表明,在爆炸荷载作用下,由于土石坝材料组成的多样性,应力波传播规律异常复杂,土石坝的力学响应呈现出显著的分区特征。     

基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究

基于渗流场与应力场耦合机理,对柿竹园野鸡尾尾矿坝进行稳定性研究。研究渗流-应力的耦合效应,提出了渗流-应力耦合以及渗流体积力计算的实施方案;建立二维的有限元渗流-应力耦合计算模型,分析了考虑耦合效应时的尾矿坝渗流场、位移场、应力场;最终分析了不同耦合关系对于渗流量、位移场、等效渗透集中力以及应力场的影响。研究结果表明:当前水力条件下,尾矿坝稳定性良好;尾矿坝主要受水平渗透力作用,初期坝坝顶、坝脚以及坝底等处应力集中;尾矿坝的渗流-应力作用不容忽视,不同的耦合关系对于x方向位移、渗透力的预测影响巨大;考虑渗流-应力耦合关系得到的主应力、剪应力以及竖向位移,比不考虑耦合效应时大。     

土石坝高聚物防渗墙离心机振动台模型试验研究∗

为研究高聚物防渗墙的抗震性能,开展了土石坝高聚物防渗墙和混凝土防渗墙离心机振动台模型试验研究。在调幅分别为0.2g和0.4g El-Centro地震波输入条件下,通过对墙体动应力、超孔隙水压力、动土压力、坝体加速度、坝顶沉降等数据的采集分析以及试验后的开挖验证,结果发现:强震下高聚物防渗墙的动应力远小于混凝土防渗墙,与坝体加速度响应较为一致,但对动力的传递作用使得下游坝坡承受较大的水平土压力作用。研究表明高聚物防渗墙具有较好的变形协调性及良好的抗震性能,但选用高聚物防渗墙的土石坝应注意下游坝坡的加固处理。     

考虑流固耦合效应的辽宁葠窝水库溢流坝段抗震性能分析

针对辽宁葠窝水库混凝土重力坝抗震问题,采用耦合的拉格朗日-欧拉有限元分析技术,建立了可考虑库水-坝体-基岩动力耦合效应的典型溢流坝段抗震分析数值模型。模型中,采用等效一致粘弹性边界模拟基岩的人工截断边界;采用混凝土弥散裂缝本构模型模拟混凝土的动力特性。根据烈度与地震动之间的关系,确定了水库坝体抗震设计的输入加速度峰值。据此,分析了在不同季节水位变化条件下坝体地震反应的基本特性。研究表明:完好的辽宁葠窝水库混凝土重力坝溢流坝段能满足8度的抗震设防烈度要求。地震下溢流坝段峰值位移出现在胖坝和瘦坝的坝顶迎水面位置处,胖坝的动位移较瘦坝动位移大。胖坝在闸墩与溢流堰交接处出现了拉应力最大值。有库水条件下,瘦坝峰值拉应力出现在坝趾处,无库水条件下,瘦坝最大拉应力出现在溢流堰与闸墩交接处。     

不同颗粒级配条件下堰塞坝溃决特征试验研究

为研究坝体颗粒级配对堰塞坝溃决特征的影响,引入平均粒径D50作为主要指标,以不同均值粒径的土体作为研究对象,通过开展不同颗粒级配条件下堰塞坝溃决特征试验,分析堰塞坝体在3种不同工况下的破坏模式和溃决特征。结果表明,1工况3条件下坝体溃决历时是工况1的2.5倍,而溃决洪峰流量减小了约60%,说明坝体平均粒径对坝体的溃决特征有显著影响,平均粒径越大,坝体整体抗冲刷能力越强,溃口发展速度越慢,坝体越稳定,溃决洪峰流量就越小,达到洪峰流量的时间也相对滞后;2平均粒径和渗透系数可拟合成二次函数曲线,随着平均粒径的增大,渗透系数也随着增大;以孔隙水压力的变化特征为依据,把溃决过程分为3个阶段,即上游库水位增加阶段、水流漫顶下渗阶段、坝体溃决阶段。     

基于DTS技术的多层土有效导热系数测量方法

岩土体的导热系数是开发和利用地热能的重要参数。通过室内热响应模型试验,采用分布式温度传感技术(Distributed Temperature Sensing,DTS),连续测得多层土模型饱和状态下4种常见土在试验中的有效导热系数分布和大小,分析了渗流对土有效导热系数的影响,并利用GeoStudio有限元软件对不同类型土的有效导热系数进行了模拟计算。试验和数值计算结果均表明:4种饱和土中有渗流的砂土的有效导热系数最大,无渗流砂土次之,粉土小于无渗流砂土,粘土小于粉土,有机质土的最小;渗流对砂土有效导热系数的结果影响显著,使有效导热系数增大了6倍。本试验采用DTS测试土的有效导热系数的方法可用于现场试验,所得结论为地热能开发和地源热泵设计提供了重要依据。     

堰塞坝溃决机理与溃决过程模拟技术研究综述∗

堰塞坝是自然作用的产物,在世界范围内广泛分布,具有坝体形态不规则、结构和材料组成复杂且高度非均匀等特点,在上游来流冲刷、渗流潜蚀等外荷载作用下极易发生溃决,对下游人民生命财产安全造成极大的威胁。 为了对堰塞坝开展风险评估和应急处置,学者们围绕堰塞坝溃决机理与溃决过程模拟技术开展了大量的研究工作。通过梳理国内外的研究进展,基于物理模型试验总结了堰塞坝溃决过程的不同阶段,分析了坝体形态、颗粒组成、上游来流量、涌浪等因素对溃决过程的影响;从参数模型、基于溃决机理的简化和精细化数学模型等 3 个方面综述了堰塞坝溃决过程数值模拟技术的研究进展,并介绍了国际上常用的溃坝模拟商业软件;探讨了目前在试验设计、数据收集和软件开发方面存在的问题,建议了未来研究的方向和重点。总体来说,对于堰塞坝溃决机理与溃决过程的模拟还处于起步阶段,目前的物理模型试验和数值分析技术均存在较多简化或假设,未来应充分考虑堰塞坝材料的宽级配和随机特性,以及坝体结构的分层特征。     

循环荷载作用下粗粒料与掺砾粘土接触面单剪试验研究

土石坝内部存在较多的接触面,在静、动力荷载作用下,接触面的力学特性对坝体的稳定性具有显著的影响.基于动态单剪仪,开展了粗粒料与掺砾粘土接触面循环单剪试验.试验结果表明,初始剪应力加载方向对相对位移有较大影响:相对位移总是在沿初始剪应力加载方向一侧较大;在一个剪切循环内,正、反向加载时,若剪应力较小,发生剪缩变形,若剪应...     

一种准分布式内加热刚玉管FBG渗流速率监测方法

岩土体中的渗流是引发各种地质灾害的重要因素。针对现有渗流监测技术的不足,提出了一种基于光纤布拉格光栅FBG的准分布式内加热刚玉管FBG渗流监测方法;介绍了该方法的原理;发明了一种新型内加热刚玉管渗流传感器;推导出了温度特征值与渗流速率之间的关系,并通过砂性土室内模型试验对此关系进行了率定。试验结果表明:(1)本方法对砂性土中渗流速率进行监测是可行的;(2)利用刚玉管封装的新型传感器具有很好的监测性能;(3)在给定加热功率条件下,一定渗流速率范围内,温度特征值与渗流速率间存在线性关系,渗流速率越大,温度特征值越小;(4)一定加热功率条件下的渗流速率监测存在相应的测试量程,提高给定加热功率可提高监测量程。     

降雨及蒸发条件下地裂缝研究

工程中所遇到的土体大多数以非饱和土形态存在。以海南地区的特殊土红粘土为研究对象,在对其进行土—水特性研究的基础上,认为Van Genuchten模型较好地反映了海南红粘土饱和度与基质吸力的关系。结合Bishop提出的非饱和土的有效应力表达式,分析了降雨及蒸发下地裂缝的发展机制。通过数值算例发现,在非饱和土中,静止土压力系数不再保持不变,而是随着深度和稳定流流量的变化而变化,与饱和土中的静止土压力系数的性质有很大不同,这在工程实际中对支挡结构的设计具有重要的指导意义;在非饱和土中,由于静止土压力系数存在负值,容易产生地裂缝,且在蒸发条件下,最大地裂缝深度理论上比在无渗流和降雨条件下的大。     

深厚覆盖层中弱透水层特性对渗流场的影响

中国西部地区的深厚覆盖层坝基中常存在弱透水层,对坝基渗流场有一定影响。基于非饱和土渗流理论,借助有限元软件Seep/w建立数值模型,得出渗流量和出逸坡降,并结合2个实际工程分析弱透水层深度、厚度、连续性对渗流场的影响。结果表明,采用悬挂式防渗墙或无防渗墙时,深度越小的弱透水层控渗效果越佳;深度越大的弱透水层与防渗墙形成的半封闭式联合防渗体系,越能有效控制渗流量和抑制出逸坡降。渗流量和出逸坡降都随着弱透水层厚度的增大而降低;弱透水层厚度及连续性对采用半封闭式防渗墙控渗时的渗流场影响最大,悬挂式防渗墙次之,全封闭式防渗墙最小。渗流量和出逸坡降随上游、底端开口长度的增加而增大;渗流量随下游开口长度的增加而增大,但出逸坡降随下游开口长度的增加呈先增大后减小的趋势。弱透水层的连续性对渗流场影响较小。采用半封闭式防渗墙时,渗流量和出逸坡降从高到低排序为底端开口、上游开口、下游开口。采用全封闭式防渗墙时,防渗墙承担主要的控渗任务,弱透水层的深度、厚度、连续性对渗流场的影响极小。     

稀土矿层厚度对浸矿边坡渗流及稳定性的影响

在原地浸矿和稀土边坡稳定性关系研究中,往往忽略了矿层厚度的影响,为此选取3个具有代表性的边坡实例,基于Fredlund提出的饱和-非饱和渗流理论,构建考虑稀土矿层厚度的采场边坡在不同注液强度下浸矿饱和液面及孔隙水压力与浸矿时间的关系,研究不同全风化稀土矿层厚度对边坡渗流场及稳定性的影响。结果显示,在矿层厚度不变的情况下,注液强度越高,坡体内浸润线和孔隙水压力增加越快,边坡稳定性下降越快;在一定的注液强度条件下,矿层厚度对浸润线的上升具有明显的滞后效应,厚度越大,浸润线和孔隙水压力上升速度也越慢,边坡稳定性下降速度则相应减缓。因此,稀土矿层厚度对稀土边坡渗流场及稳定性的影响是显著的,稀土采场拟定合理注液强度时不容忽视。     

非饱和土层厚度与充气压力对截排水效果的影响

气驱水理论以及非饱和渗流理论已经在许多领域中得到广泛的应用,而将其应用于边坡防治领域则较少。通过向坡体后缘充入有压气体,可排除坡体中的部分地下水,形成非饱和土层,从而阻断或减小地下水流向下游潜在滑坡区,降低潜在滑坡区地下水位,提高边坡稳定性。多孔介质中气驱水理论属于多相流问题,采用有限元方法模拟研究了不同非饱和土层厚度边坡在允许充气压力下对截排水效果及地下水渗流场的影响。结果表明:地下水水层厚度和水头一定时,非饱和土层厚度越大,临界压力值越大,充气压力上限值越大,允许充气压力范围越大;坡体非饱和土层厚度一定,充气压力在允许范围内越大,截排水效果越好;截排水技术更适用于地下水埋深较浅的坡体;充气稳定后,充气区上游流速分布不均匀,充气区水流流速大幅下降,且相同充气压下非饱和土层厚度越小的坡体稳定后流速越小,充气区下游水位下降,水位线以下流速几乎不受充气和非饱和土层厚度的影响。