高堆石壩面膜防滲體變形性破壞機(jī)理及設(shè)計(jì)方法項(xiàng)目摘要

深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體具有能適應(yīng)差異變形、施工期短、造價(jià)低、節(jié)約土地及低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。然面膜防滲體關(guān)鍵部位變形性破壞機(jī)理尚未揭示，其相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算還無(wú)據(jù)可依。本課題擬采用界面直剪試驗(yàn)、數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)和施工運(yùn)行環(huán)境仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)高堆石壩面膜防滲體變形性破壞機(jī)理及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)研究。首先，通過(guò)PVC膜與接觸材料界面力學(xué)特性試驗(yàn)建立界面切應(yīng)力-切位移關(guān)系，并移植到三維數(shù)值程序中進(jìn)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(yùn)行期工作性態(tài)及環(huán)境進(jìn)行關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)模型和材料性能仿真試驗(yàn)，揭示關(guān)鍵部位破壞機(jī)理及施工-運(yùn)行期復(fù)雜環(huán)境引起膜變形性能衰變規(guī)律；再次，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果研究面膜防滲體關(guān)鍵部位細(xì)小區(qū)域變形分析計(jì)算方法及膜變形性能衰減評(píng)價(jià)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(shè)計(jì)方法。本課題旨在為深覆蓋層上面膜防滲堆石壩建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 摘要 深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體能適應(yīng)差異變形、工期短、造價(jià)低、節(jié)約土地及低碳環(huán)保。國(guó)內(nèi)對(duì)堆石壩面膜變形性破壞機(jī)理尚未開(kāi)展系統(tǒng)研究。 （1）面膜錨固部位“夾具效應(yīng)”及其避免破壞措施的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn) 通過(guò)常規(guī)面膜鋪設(shè)錨固與8種改進(jìn)鋪設(shè)錨固型式的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，揭示了面膜夾具效應(yīng)的破壞機(jī)理；指出慣用設(shè)置伸縮節(jié)方式是有害的；提出了避免夾具效應(yīng)的設(shè)計(jì)思路和方法。 （2）PVC土工膜的在施工-運(yùn)行期復(fù)雜環(huán)境下變形性能衰變規(guī)律試驗(yàn) 1）環(huán)境環(huán)境溫度對(duì)面膜性能的影響。通過(guò)對(duì)2種PVC膜從-40oC至60oC不同環(huán)境溫度的縱橫向拉伸試驗(yàn)，得到彈模與溫度關(guān)系及其表達(dá)式；低溫使延伸率降低，柔韌性變?nèi)?，?shí)際工程應(yīng)考量面膜水下4oC環(huán)境的力學(xué)性能。2）低溫持續(xù)大變形對(duì)面膜性能的影響。在4oC環(huán)境溫度下對(duì)2種PVC膜分別進(jìn)行5%~80%等8種不同初始變形后長(zhǎng)達(dá)1235h的持續(xù)變形試驗(yàn)表明，初始變形量對(duì)斷裂延伸率衰減影響明顯，當(dāng)初始變形量為80%時(shí)，斷裂延伸率衰減率高達(dá)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(yàn)，斷裂伸長(zhǎng)率最大衰減15.8%；建立了應(yīng)變能隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)模型。 （3）高面膜堆石壩整體結(jié)構(gòu)分析及復(fù)雜細(xì)小區(qū)域的面膜變形數(shù)值計(jì)算方法 1）由復(fù)合膜與墊層間直剪試驗(yàn)建立了以界面剪切勁度系數(shù)ks為表達(dá)式的雙曲線本構(gòu)模型；2）提出考慮切向位移對(duì)面膜頂入墊層孔隙內(nèi)液脹變形影響的計(jì)算方法；3）為模擬錨固部位細(xì)小區(qū)域發(fā)生的夾具效應(yīng)，將錨固處的膜節(jié)點(diǎn)與基巖節(jié)點(diǎn)分離開(kāi)而設(shè)置三維彈簧單元；在膜單元和壩體單元間設(shè)置連接單元使兩種單元間不必一一對(duì)應(yīng)，使整體結(jié)構(gòu)分析中能計(jì)算細(xì)小區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變；自編了可分析細(xì)小部位面膜變形的非線性三維有限元計(jì)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(shè)計(jì)方法 1）錨固部位防滲膜破壞的設(shè)計(jì)方法。2）工程設(shè)計(jì)需提高對(duì)面膜墊層平整度的技術(shù)要求。 2100433B

深覆蓋層上堆石壩面膜防滲體具有適應(yīng)差異變形能力強(qiáng)、施工期短、造價(jià)低、節(jié)約土地及低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。然土工膜與接觸材料界面力學(xué)特性尚未揭示，壩面防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析及土工膜應(yīng)力變形計(jì)算尚無(wú)據(jù)可依。本項(xiàng)目采用接觸面剪切試驗(yàn)、理論推導(dǎo)、數(shù)值分析和模型試驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體界面力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。取得主要成果如下： （1）運(yùn)用斜板儀和直剪儀試驗(yàn)對(duì)壩面防滲結(jié)構(gòu)中不同土工膜與墊層材料界面力學(xué)特性特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了不同土工膜與墊層界面的抗剪強(qiáng)度隨法向壓力、墊層類(lèi)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(yùn)用改進(jìn)拉拔試驗(yàn)方法對(duì)壩基錨固部位復(fù)合膜-散粒體墊層界面應(yīng)力變形特性及分布規(guī)律進(jìn)行研究；開(kāi)展了錨固部位土工膜受拉變形特征及破壞機(jī)理的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究。提出了能考慮土工膜變形影響的界面拉拔試驗(yàn)方法，并通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)重點(diǎn)揭示了上覆壓力、土工膜埋深及拉拔速率等因素對(duì)界面剪切變形及強(qiáng)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(jī)理。 （3）綜合土工膜界面力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果及理論推導(dǎo)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(jìn)行了復(fù)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(kāi)發(fā)，在此基礎(chǔ)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(jì)算方法，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體受力變形特性及破壞機(jī)理進(jìn)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(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。 2100433B

深覆蓋層上堆石壩面膜防滲體具有適應(yīng)差異變形能力強(qiáng)、施工期短、造價(jià)低、節(jié)約土地及低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。然土工膜與接觸材料界面力學(xué)特性尚未揭示，壩面防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析及土工膜應(yīng)力變形計(jì)算尚無(wú)據(jù)可依。本項(xiàng)目擬用界面斜板儀及拉拔試驗(yàn)、理論推導(dǎo)、數(shù)值分析和模型試驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體界面力學(xué)特性進(jìn)行研究。首先，運(yùn)用斜板儀對(duì)壩面防滲結(jié)構(gòu)復(fù)合膜與保護(hù)層、墊層界面短期及考慮纖維蠕變效應(yīng)下長(zhǎng)期強(qiáng)度特性和失穩(wěn)破壞機(jī)理進(jìn)行研究；其次，運(yùn)用改進(jìn)拉拔試驗(yàn)方法對(duì)壩基錨固部位復(fù)合膜-散粒體墊層界面應(yīng)力變形特性及分布規(guī)律進(jìn)行研究；再次，綜合試驗(yàn)結(jié)果及理論推導(dǎo)建立壩面防滲結(jié)構(gòu)界面抗剪強(qiáng)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(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)錨固部位土工膜應(yīng)力變形計(jì)算與分析并用模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本項(xiàng)目旨在為深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

本書(shū)是一部系統(tǒng)論述高混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性的專(zhuān)著。全書(shū)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(yīng)力變形特性，深覆蓋層地基高面板堆石壩的應(yīng)力變形特性，施工期臨時(shí)斷面度汛對(duì)于高面板堆石壩應(yīng)力變形的影響，壩體分期施工對(duì)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(yīng)力變形特性，高面板堆石壩壩坡穩(wěn)定的動(dòng)力有限元分析。本書(shū)可供從事高面板堆石壩研究的專(zhuān)家學(xué)者及壩工設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理的工程技術(shù)人員參考，也可作為有關(guān)高校和科研機(jī)構(gòu)相關(guān)學(xué)科研究生的教學(xué)參考書(shū)。