特高土心墙堆石坝筑坝材料工程特性与坝体变形和渗流安全控制

The project is directed by the key safety-guarantee technique demand of 300m-level extra high soil core rockfill dam. Two key scientific issues in the project are the deformation and seepage form, and their time-space evolution, failure mechanism and developing rules. Based on the original ideas, i.e. equal property index parameters and the setup of “sand core” in a tested specimen, a scale-down method for the mechanical test of rockfill material and a speed-up drainage method for gravelly soil material are proposed, respectively.The wetting characteristics, the rheological properties and the constitutive model ofdam materials will be studied, utilizing a large true triaxial apparatus with elimination of friction, combined with a CT triaixial testing system and DDA numerical investigation. A constitutive model for dam materials will then be put forward. Large shear tests on the interface of dam materials and dam foundation or abutment will be conducted to study their interactive mechanism. Based on large consolidation and permeability tests and centrifugal model tests, the evolution and performance of seepage control system will be studied. A high efficiency calculation platform for the safety evalution of the soil core rockfill dam in its entire life period will be developed. The safety control method for deformation and seepage will be studied, utilizing insitu monitoring and hazards investigation results. Reasonable standards for the partition of dam materials and the control of dam infilling quality will be put forward. The reseach findings will provide significant theoretical bases and technical support for the construction of extra high soil core rockfill dam in China.

项目以两河口300m级特高土心墙堆石坝安全保障关键技术需求为导向，围绕特高土心墙堆石坝变形及渗流形态与时空演化、破坏机制与发展规律两大关键科学问题。基于旁压试验特征指标相等、试样中设置“砂芯”的原创思想，分别提出堆石料力学性试验缩尺方法和砾石土心墙料试验加速饱和排水方法；以大型微摩擦真三轴仪为基础，结合CT三轴试验、DDA数值试验，研究筑坝材料湿化、流变特性，提出筑坝材料的本构模型。开展筑坝材料与坝基坝肩大型剪切试验，研究坝体与边界相互作用机理，提出接触面统一弹塑性本构模型及数值分析方法。基于大型固结渗透试验和离心模型试验，研究防渗系统服役性能演化规律，开发土心墙堆石坝全寿命周期安全性评价高性能计算平台，结合原型观测资料及病害调查分析，研究特高土心墙堆石坝变形与渗流安全控制方法，提出合理的坝料分区及填筑质量控制标准。研究成果为我国特高土心墙堆石坝建设提供重要理论依据和技术支持。

项目针对特高土心墙堆石坝筑坝材料工程特性与坝体变形和渗流安全控制中的关键科学问题，综合采用现场旁压试验、大型室内单元体试验、离心物理模型试验、理论分析与数值模拟等多种手段开展研究工作。基于当量密度法的原创思想，提出了一种利用旁压试验间接确定堆石料室内力学试验密度控制的试验方法（简称旁压模量当量密度法）。研制了一种新型高压大膨胀量的旁压仪探头和大型模型旁压试验设备，提出了一套原型堆石料力学特性试验缩尺方法。提出了砾石土心墙料固结饱和加速排水试验方法，揭示砾石土心墙料长期湿化变形规律，建立了相关本构模型及参数确定方法。采用自主研发的大型微摩阻土工真三轴试验系统，揭示了复杂应力条件下堆石料力学特性，发展了长科院三参量非线性K-K-G本构模型。揭示了坝体与地基之间的接触摩擦变形机制，建立了描述坝料与基础面接触摩擦变形的数学模型。基于离心模型试验，研究了原型尺度下接触黏土的剪切性状，揭示了特高心墙堆石坝施工期和运行期防渗系统服役性能演化规律。开发了高土心墙堆石坝全寿命周期安全性评价高性能计算平台，揭示了复杂条件下两河口特高心墙堆石坝施工、蓄水运行期工作性态与应力变形时空演化规律，提出了合理的坝料分区及填筑质量控制标准。成果出版专著2部，参编规程规范5部；公开发表学术论文51篇，其中SCI/EI收录论文30篇；申请国家发明专利10项，已授权发明专利7项；获计算机软件著作权8项；项目组31人次参加国内外学术交流；培养博士研究生2人，硕士研究生8人。研究成果获水力发电科技进步奖一等奖1项，长江水利委员会科技进步一等奖1项，湖北省勘察设计行业科技进步二等奖1项。成果有力的促进了水工岩土工程和水工结构学科的发展，解决了当前筑坝粗粒料力学特性试验与土石坝变形预测中关键技术难题，成果为我国两河口特高心墙堆石坝工程的优化设计与长期安全运行提供了重要的理论与技术支撑，社会经济效益显著。