高堆石壩面膜防滲體變形性破壞機理及設計方法

1 摘要 深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體能適應差異變形、工期短、造價低、節(jié)約土地及低碳環(huán)保。國內(nèi)對堆石壩面膜變形性破壞機理尚未開展系統(tǒng)研究。 （1）面膜錨固部位“夾具效應”及其避免破壞措施的結(jié)構(gòu)模型試驗 通過常規(guī)面膜鋪設錨固與8種改進鋪設錨固型式的結(jié)構(gòu)模型試驗，揭示了面膜夾具效應的破壞機理；指出慣用設置伸縮節(jié)方式是有害的；提出了避免夾具效應的設計思路和方法。 （2）PVC土工膜的在施工-運行期復雜環(huán)境下變形性能衰變規(guī)律試驗 1）環(huán)境環(huán)境溫度對面膜性能的影響。通過對2種PVC膜從-40oC至60oC不同環(huán)境溫度的縱橫向拉伸試驗，得到彈模與溫度關系及其表達式；低溫使延伸率降低，柔韌性變?nèi)?，實際工程應考量面膜水下4oC環(huán)境的力學性能。2）低溫持續(xù)大變形對面膜性能的影響。在4oC環(huán)境溫度下對2種PVC膜分別進行5%~80%等8種不同初始變形后長達1235h的持續(xù)變形試驗表明，初始變形量對斷裂延伸率衰減影響明顯，當初始變形量為80%時，斷裂延伸率衰減率高達45.9%； 3）低溫持續(xù)大角度彎折的面膜性能的影響。2種PVC膜以180 o彎折角度作4oC環(huán)境溫度下20~120天持續(xù)試驗，斷裂伸長率最大衰減15.8%；建立了應變能隨時間變化的統(tǒng)計模型。 （3）高面膜堆石壩整體結(jié)構(gòu)分析及復雜細小區(qū)域的面膜變形數(shù)值計算方法 1）由復合膜與墊層間直剪試驗建立了以界面剪切勁度系數(shù)ks為表達式的雙曲線本構(gòu)模型；2）提出考慮切向位移對面膜頂入墊層孔隙內(nèi)液脹變形影響的計算方法；3）為模擬錨固部位細小區(qū)域發(fā)生的夾具效應，將錨固處的膜節(jié)點與基巖節(jié)點分離開而設置三維彈簧單元；在膜單元和壩體單元間設置連接單元使兩種單元間不必一一對應，使整體結(jié)構(gòu)分析中能計算細小區(qū)域內(nèi)的應力應變；自編了可分析細小部位面膜變形的非線性三維有限元計算程序用于工程分析。 （4）建議面膜周邊錨固等特殊部位避免破壞及服役期縮減的設計方法 1）錨固部位防滲膜破壞的設計方法。2）工程設計需提高對面膜墊層平整度的技術要求。 2100433B

深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體具有能適應差異變形、施工期短、造價低、節(jié)約土地及低碳環(huán)保等優(yōu)點。然面膜防滲體關鍵部位變形性破壞機理尚未揭示，其相關設計計算還無據(jù)可依。本課題擬采用界面直剪試驗、數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)模型試驗和施工運行環(huán)境仿真試驗相結(jié)合的方法對高堆石壩面膜防滲體變形性破壞機理及設計方法進行系統(tǒng)研究。首先，通過PVC膜與接觸材料界面力學特性試驗建立界面切應力-切位移關系，并移植到三維數(shù)值程序中進行面膜防滲堆石壩整體數(shù)值分析；其次，依據(jù)整體受力變形特性，按照施工運行期工作性態(tài)及環(huán)境進行關鍵部位結(jié)構(gòu)模型和材料性能仿真試驗，揭示關鍵部位破壞機理及施工-運行期復雜環(huán)境引起膜變形性能衰變規(guī)律；再次，依據(jù)試驗結(jié)果研究面膜防滲體關鍵部位細小區(qū)域變形分析計算方法及膜變形性能衰減評價方法；最后，經(jīng)綜合分析提出面膜防滲體避免變形性破壞的設計方法。本課題旨在為深覆蓋層上面膜防滲堆石壩建設提供科學依據(jù)和理論基礎。

深覆蓋層上堆石壩面膜防滲體具有適應差異變形能力強、施工期短、造價低、節(jié)約土地及低碳環(huán)保等優(yōu)點。然土工膜與接觸材料界面力學特性尚未揭示，壩面防滲結(jié)構(gòu)設計、穩(wěn)定性分析及土工膜應力變形計算尚無據(jù)可依。本項目采用接觸面剪切試驗、理論推導、數(shù)值分析和模型試驗結(jié)合的方法對深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體界面力學特性進行了系統(tǒng)研究。取得主要成果如下： （1）運用斜板儀和直剪儀試驗對壩面防滲結(jié)構(gòu)中不同土工膜與墊層材料界面力學特性特性進行了試驗研究，獲得了不同土工膜與墊層界面的抗剪強度隨法向壓力、墊層類型、墊層表面粗糙度等因素影響下的變化規(guī)律及特性，揭示了土工膜界面受力變形特性及破壞模式。 （2）運用改進拉拔試驗方法對壩基錨固部位復合膜-散粒體墊層界面應力變形特性及分布規(guī)律進行研究；開展了錨固部位土工膜受拉變形特征及破壞機理的結(jié)構(gòu)模型試驗研究。提出了能考慮土工膜變形影響的界面拉拔試驗方法，并通過系統(tǒng)試驗重點揭示了上覆壓力、土工膜埋深及拉拔速率等因素對界面剪切變形及強度特性的影響規(guī)律，以及土工膜沿拉拔界面受力變形分布規(guī)律及拉伸變形破壞機理。 （3）綜合土工膜界面力學特性試驗結(jié)果及理論推導建立了土工膜界面本構(gòu)模型。提出了壩面防滲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析方法；進行了復合膜-散粒體墊層界面本構(gòu)模型研究及其在FLAC3D軟件中的二次開發(fā)，在此基礎上提出了高堆石壩土工膜防滲結(jié)構(gòu)受力變形數(shù)值計算方法，并結(jié)合工程實例對深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體受力變形特性及破壞機理進行了數(shù)值分析。研究成果為深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體設計與安全評價提供了理論基礎和依據(jù)。 2100433B

深覆蓋層上堆石壩面膜防滲體具有適應差異變形能力強、施工期短、造價低、節(jié)約土地及低碳環(huán)保等優(yōu)點。然土工膜與接觸材料界面力學特性尚未揭示，壩面防滲結(jié)構(gòu)設計、穩(wěn)定性分析及土工膜應力變形計算尚無據(jù)可依。本項目擬用界面斜板儀及拉拔試驗、理論推導、數(shù)值分析和模型試驗結(jié)合的方法對深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體界面力學特性進行研究。首先，運用斜板儀對壩面防滲結(jié)構(gòu)復合膜與保護層、墊層界面短期及考慮纖維蠕變效應下長期強度特性和失穩(wěn)破壞機理進行研究；其次，運用改進拉拔試驗方法對壩基錨固部位復合膜-散粒體墊層界面應力變形特性及分布規(guī)律進行研究；再次，綜合試驗結(jié)果及理論推導建立壩面防滲結(jié)構(gòu)界面抗剪強度模型及壩基錨固部位土工膜界面本構(gòu)模型；最后，提出壩面防滲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析方法；通過二次開發(fā)實現(xiàn)錨固部位土工膜應力變形計算與分析并用模型試驗進行驗證。本項目旨在為深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體設計與安全評價提供理論基礎和依據(jù)。

本書是一部系統(tǒng)論述高混凝土面板堆石壩應力變形特性的專著。全書共分8章，包括：緒論，高面板堆石壩的流變特性，軟巖料填筑高面板堆石壩的應力變形特性，深覆蓋層地基高面板堆石壩的應力變形特性，施工期臨時斷面度汛對于高面板堆石壩應力變形的影響，壩體分期施工對于高面板堆石壩面板脫空的影響，狹窄河谷高面板堆石壩的應力變形特性，高面板堆石壩壩坡穩(wěn)定的動力有限元分析。本書可供從事高面板堆石壩研究的專家學者及壩工設計、施工和運行管理的工程技術人員參考，也可作為有關高校和科研機構(gòu)相關學科研究生的教學參考書。