【摘要】：土石壩因具有就地取材,施工方便,變形能力好,節(jié)約投資等優(yōu)勢已成為當(dāng)今世界的主流壩型。我國高土石壩建設(shè)雖然起步較晚,但發(fā)展速度在世界上獨一無二,也即將興建多座300m級特高土石壩。近幾十年來土石壩的建設(shè)實踐經(jīng)驗表明:100m級土石壩技術(shù)相對成熟;200m級土石壩工程實踐經(jīng)驗不多,受試驗條件和筑壩材料的千差萬別影響,壩工界對筑壩材料的工程特性、變形分析及變形協(xié)調(diào)的研究尚未形成統(tǒng)一認識,也沒有達到相對完善的程度,導(dǎo)致部分壩體建成蓄水后產(chǎn)生一定的縱向和橫向裂縫,危及壩體長期運行安全;300m級特高土石壩的建設(shè)更復(fù)雜,施工過程中不確定因素更多,對筑壩材料和壩體變形的要求更加嚴格。本文以壩高312m的雙江口水電站世界第一特高心墻土石壩為例,通過現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗和三維數(shù)值分析,開展筑壩材料工程特性及本構(gòu)模型參數(shù)、壩體變形分析和壩體變形施工智能管控等研究,提出了礫石土心墻料自動摻合新方法和固結(jié)排水試驗新方法,構(gòu)建了壩體變形施工的智能管控體系,為工程順利建設(shè)及高效管理奠定了基礎(chǔ)。研究成果主要包括:(1)采用現(xiàn)場旁壓試驗和室內(nèi)旁壓模型試驗進行對比分析,推測確定了河床深厚覆蓋層密度。雙江口水電站河床覆蓋層具有成因復(fù)雜、層次多、軟硬相間且有架空層等特點,為克服河床未形成干地施工的客觀條件確定河床覆蓋層密度,文章根據(jù)前期地質(zhì)勘探資料和覆蓋層物質(zhì)組成,將河床深厚覆蓋層概化分為3層;通過現(xiàn)場8孔103個測點的旁壓試驗求取了各層旁壓模量;現(xiàn)場取樣,進行了24組不同級配、不同密度、不同上覆壓力下的室內(nèi)旁壓模量模型試驗,求取了相應(yīng)的旁壓模量;對室內(nèi)模型試驗成果進行分析擬合,以各層現(xiàn)場測定的平均旁壓模量與室內(nèi)旁壓模量相等時對應(yīng)的密度作為深厚覆蓋層的現(xiàn)場實際密度。河床深厚覆蓋層密度的確定為其工程特性的研究奠定了基礎(chǔ)。(2)提出了一種計量精準(zhǔn)、級配可控、摻合均勻且連續(xù)生產(chǎn)的礫石與土料自動摻合的新方法。國內(nèi)外完建和擬建的高心墻土石壩詳勘資料表明,天然防滲土料小于5mm的顆粒含量一般大于規(guī)范值,需摻合礫石提高其抗變形能力。然而傳統(tǒng)的平鋪立采摻合方法還存在計量不精確易導(dǎo)致級配不可控,摻合不均勻易導(dǎo)致不均勻沉降變形,施工場地需求大導(dǎo)致投資大等問題。為解決上述問題,文章根據(jù)螺旋輸送機的設(shè)計理論和工程實際,分析了摻合料粒料受力狀態(tài)、運動規(guī)律,提出了雙江口水電站自動摻合螺旋機各項參數(shù),實現(xiàn)了心墻料摻合均勻且連續(xù)生產(chǎn);根據(jù)計量精度要求,提出了采用定量給料機、變量給料機、震動給料機、變頻帶式給料機的計量方法和相關(guān)設(shè)備參數(shù),實現(xiàn)了計量精準(zhǔn),級配可控。此方法經(jīng)三維模擬驗證可靠,確保了心墻料的生產(chǎn)質(zhì)量,有效規(guī)避了級配不可控,摻合不均勻?qū)е碌膲误w不均勻沉降等問題。(3)提出了一種可保證試驗質(zhì)量和提高試驗效率的礫石土心墻料加速固結(jié)排水試驗新方法。礫石土心墻料粘性土含量大,滲透系數(shù)低,大型三軸固結(jié)排水剪切試驗時試樣排水慢,試驗效率低。為克服常規(guī)三軸剪切試驗方法試驗周期長的缺陷,文章借鑒砂井地基加速固結(jié)排水方法經(jīng)驗,進行了按質(zhì)量比摻礫石50%的礫石土心墻料在不同密度、不同試驗圍壓下的3組有砂芯和3組無砂芯試樣的中三軸對比試驗,1組有砂芯和1組無砂芯的大三軸對比試驗。研究成果分析表明:有砂芯和無砂芯試驗成果基本一致,有砂芯試樣固結(jié)歷時僅為無砂芯試樣固結(jié)歷時的1/10左右,砂芯對加快試樣排水作用明顯,認為有砂芯試樣試驗成果可替代無砂芯試樣試驗成果。(4)提出了雙江口水電站堆石料6參數(shù)濕化變形和9參數(shù)流變變形經(jīng)驗公式及參數(shù)。堆石體是具有復(fù)雜性、不確定性和多相耦合性的典型巖土結(jié)構(gòu),堆石體的長期變形特性因料不同而異。為切實掌握雙江口水電站上下游堆石料濕化、流變等長期變形特性,文章采用單線法進行了飛水巖花崗巖、河口變質(zhì)巖在3種圍壓、4種應(yīng)力水平下的濕化試驗。采用分級加載進行了飛水巖花崗巖在3種圍壓、4種應(yīng)力水平下的流變試驗,進行了河口變質(zhì)巖在4種圍壓、4種應(yīng)力水平下的流變試驗;采用單級加載進行了飛水巖花崗巖在3種圍壓、3種應(yīng)力水平下的流變試驗。試驗成果表明:兩種石料圍壓對濕化軸向應(yīng)變影響較小,可用指數(shù)函數(shù)表達濕化軸向應(yīng)變與應(yīng)力水平之間的關(guān)系;濕化體積應(yīng)變與圍壓、應(yīng)力水平表現(xiàn)出正相關(guān),可采用線性函數(shù)對其關(guān)系曲線進行擬合。兩種石料的流變量與時間的曲線在對數(shù)坐標(biāo)下線性關(guān)系較好,其流變特性可用九參數(shù)的流變模型表征。(5)提出了雙江口水電站壩體變形規(guī)律及變形管控重點。土石壩壩體變形直關(guān)壩體長久安全運行,為切實掌握雙江口水電站壩體在不同工況下的變形規(guī)律和薄弱環(huán)節(jié),文章基于筑壩材料工程特性研究成果,進行了筑壩材料在基準(zhǔn)參數(shù)(不考慮流變濕化、考慮濕化、考慮流變、填筑時長4種工況)、參數(shù)變化(高強參數(shù)、低強參數(shù)、心墻拱效應(yīng)參數(shù)3種工況)7種工況下的壩體三維數(shù)值模擬分析。分析結(jié)果表明:各種工況下壩體竣工期豎向最大位移占壩高的0.95%-1.05%之間,蓄水期豎向最大位移占壩高的0.93%-1.13%之間,豎向最大位移占壩高的比例與已建同類工程監(jiān)測數(shù)據(jù)基本一致;壩體最大豎向位移均發(fā)生在礫石土心墻區(qū)內(nèi),壩體變形管控重點為礫石土心墻區(qū)施工。(6)采取先定性后定量的方法,建立了一套量化的礫石土心墻壩體變形管控指標(biāo)體系。為量化土石壩設(shè)計和施工規(guī)范中有關(guān)工藝和工序上的要求,做到嚴格按照設(shè)計要求做到量化施工,確保施工質(zhì)量和壩體變形可控,文章結(jié)合雙江口水電站工程施工實際,基于壩體三維數(shù)值計算分析成果,根據(jù)土石壩施工、設(shè)計有關(guān)規(guī)范要求,借鑒同類工程施工經(jīng)驗和礫石土心墻料多元回歸分析,建立了從料源控制、過程控制、結(jié)果控制3個環(huán)節(jié),8種筑壩材料,64個量化指標(biāo)的土石壩壩體變形控制指標(biāo)體系,為施工智能管控提供了量化的管控對象。(7)構(gòu)建了“五維一體”的壩體變形施工智能預(yù)警決策反饋管控系統(tǒng)。土石壩筑壩料源種類多,填筑要求高,管控內(nèi)容多而復(fù)雜。為規(guī)避水電工程傳統(tǒng)管理模式造成的管控信息孤島等人為因素影響,實現(xiàn)施工全過程可追溯、風(fēng)險自動分級預(yù)警、預(yù)警內(nèi)容自主決策反饋的智能化管控,文章利用大數(shù)據(jù)存儲與挖掘、互聯(lián)網(wǎng)、推理機、4S技術(shù)等前沿信息技術(shù),結(jié)合雙江口水電站大壩施工工藝,對大壩倉面施工過程進行了協(xié)調(diào)分解,構(gòu)建了大壩壩體變形施工智能管控數(shù)學(xué)模型及框架結(jié)構(gòu);基于壩體變形智能監(jiān)控理論,提出了料源生產(chǎn)、壩料運輸、壩外加水、填筑碾壓、質(zhì)量檢測“五維一體”的施工全過程智能管控方法;通過已建立的大壩壩體變形管控指標(biāo)體系,提出了三級智能預(yù)警模型;基于“黑板”理論,提出了多智能體的壩體變形指標(biāo)預(yù)警智能反饋方法,實現(xiàn)了壩體變形的智能決策與反饋,提高了壩體變形管控效率與水平。
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV41;TV698.11
【圖文】：

高１５ｍ以上的心墻土石壩約占大壩總數(shù)的８２％，壩高１００ｍ以上的約占大壩總逡逑數(shù)的５０％。我國高心墻土石壩工程建設(shè)雖然起步較晚，但發(fā)展速度之快，在世界逡逑上獨一無二（圖１－１邋）。隨著我國河流梯級水電開發(fā)及水資源合理配置進程的推進，逡逑我國西部正在或即將建設(shè)一批調(diào)節(jié)性能好，壩高超過３００ｍ的特高心墻土石壩，逡逑如雙江口水電站（壩高３１２ｍ）、如美水電站（壩高３１５ｍ）以及兩河口水電站（壩逡逑高２９５ｍ）等。這些工程建設(shè)對進一步實現(xiàn)國家西部大開發(fā)與西電東輸戰(zhàn)略，保逡逑障社會與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。逡逑契沃爾／拉埃斯梅ｆｔ達人壩邐阿爾ｗ托萊萊斯火圳逡逑（Ｃｈｉｖｏｒ／Ｌａ邋Ｅｓｍｅｒａｌｄａ）邐努列克大現(xiàn)邐（Ｇｕａｖｉｏ／Ａｌｂｅｒｔｏ邐Ｉ邋丨邋Ｉ邋如發(fā)逡逑＼邐ＪＴ邋＇Ｎｕｒｅｋ）＇邋／邋ＵｅｒａｓＣ！邐Ｑ逡逑３００—邐＼邐ｐ邐／邐／逡逑２００—邋／／邐＼邐Ｊ逡逑奧羅維爾大項／邐＼邐小、逡逑，５０邋Ｉ邋（0ｒ0Ｖ，Ｕｅ）邋／邐＼逡逑凱班壩＼邐ｖ＿奇科森大壩逡逑１００」邐ＣＫｅｂａｎ邋）邋卜即６，人壩（Ｃｈｉｃｏａｓｅｎ／Ｍａｎｕｅｌ逡逑Ｌ邋Ｕｒａｐｅ）邐Ｍ．邋Ｔｏｒｒｅｓ）邐邐丨句外己建成的堆石壩逡逑５０—邐邐丨翊內(nèi)己建成的堆心壩逡逑邐＿內(nèi)尚未逑成的堆石壩逡逑０邐Ｉ邐Ｉ邐１邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ逡逑１９６０邐１９７０邐１９８６０邐１９９０邐２０００邐２０１０邐２０２０邐２０３０逡逑年代逡逑圖１－１心墻土石壩發(fā)展趨勢逡逑１逡逑

裂縫和滲漏量較大等問題（ＣｅｔｉｎＨ邋ｅｔａｌ，２００５；邋Ｆｏｓｔｅｒ邋Ｍｅｔａｌ，邋２０００），如國逡逑內(nèi)壩高１６０ｍ的黃河小浪底電站，在２００３年秋洪水位達２６５．６９ｍ時壩體頂部下逡逑游側(cè)發(fā)現(xiàn)一道長約１６０ｍ、寬約４ｍｍ的縱向裂縫（圖１－２）；壩高１８６ｍ的瀑布溝逡逑礫石土心墻土石壩，在蓄水初期壩頂產(chǎn)生縱向裂縫（圖１－３）。國外壩高１５６ｍ的逡逑庫加爾心墻土石壩，大壩建成后首次蓄水達到設(shè)計水位２天左右，壩體頂部出現(xiàn)逡逑數(shù)條６￣１３ｍｍ的貫穿性縱向裂縫；壩高１４８ｍ的墨西哥埃爾因菲尼羅壩，蓄水達逡逑到設(shè)計水位后，左右壩肩均發(fā)現(xiàn)寬約１0＿的裂紋。這一系列土石壩壩體產(chǎn)生裂逡逑縫問題表明：壩體裂縫產(chǎn)生的本質(zhì)因素是筑壩材料抗拉、抗剪強度不足以抵抗其逡逑所承受的應(yīng)力；主要原因在于蓄水后上游堆石體產(chǎn)生濕化反應(yīng)，且在長期荷載作逡逑用下產(chǎn)生流變，最終壩體產(chǎn)生不均勻沉降直接誘發(fā)裂縫生成（韓朝軍，２０１３）。逡逑所以２００ｍ級高心墻土石壩的工程實踐表明，現(xiàn)有壩體應(yīng)力變形計算預(yù)測值及分逡逑布規(guī)律與大壩實際監(jiān)測成果存在一定的差距

本文編號：2713402